|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
|
|
Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии |
ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯСтр 1 из 4Следующая ⇒
В.И. Паутов
ЭЛЕКТРОНИКА
Методические указания для выполнения курсовой работы по теме «Стабилизатор напряжения» для студентов очной и заочной форм обучения на базе среднего (полного) общего образования, обучающихся по направлению подготовки бакалавра 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» (профили «Сети связи и системы коммутации», «Многоканальные телекоммуникационные системы», «Цифровое телерадиовещание», «Оптические системы и сети связи», «Инфокоммуникационные технологии в сервисах и услугах связи»), в соответствии с требованиями ФГОС ВПО 3 поколения
Екатеринбург УДК 621.382 ББК 32.85 Рецензент: канд. техн. наук, доцент В.А. Матвиенко
Паутов В.И. Электроника: Методические указания по выполнению курсовой работы/ В.И. Паутов. - Екатеринбург: УрТИСИ ФГОБУ ВПО СибГУТИ, 2012, 41 с. Методические указания по выполнению курсовой работы по курсу «Электроника» для студентов очной и заочной форм обучения на базе среднего (полного) общего образования обучающихся по направлению подготовки бакалавра 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» (профили «Инфокоммуникационные технологии в сервисах и услугах связи, «Цифровое телерадиовещание», «Оптические системы и сети связи», «Многоканальные телекоммуникационные системы», «Сети связи и системы коммутации»). Выполнение курсовой работы предусматривает закрепление теоретических знаний дисциплины. Содержит задание на курсовую работу, методические указания на выполнение контрольных заданий, вопросы к экзамену и рекомендации по оформлению курсовой работы. Рекомендовано НМС УрТИСИ ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» в качестве методических указаний по выполнению курсовой работы для студентов очной и зочной форм обучения на базе среднего (полного) общего образования обучающихся по направлению подготовки бакалавра 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» (профили «Инфокоммуникационные технологии в сервисах и услугах связи, «Цифровое телерадиовещание», «Оптические системы и сети связи», «Многоканальные телекоммуникационные системы», «Сети связи и системы коммутации»), в соответствии с требованиями ФГОС ВПО 3 поколения.
УДК 621.382 ББК 32.85
© Кафедра общепрофессиональных дисциплин технических специальностей.
© УрТИСИ ФГОБУ ВПО СибГУТИ, 2012
ВВЕДЕНИЕ
Методические указания по выполнению курсовой работы студентов по курсу " Электроника" составлены для бакалавров по направлению 210700 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи». Курсовая работа является неотъемлемой частью учебного процесса и входит в учебную нагрузку студентов по самостоятельной работе. Материал курсовой работы не выходит за рамки программы курса «Электроника» и материала, изучаемого на лекциях и практических занятиях. Курсовая работа ставит своей целью закрепить знания, полученные при изучении теоретической части дисциплины в частности, применения полупроводниковых диодов и транзисторов, привить студентам навыки самостоятельной работы по разработке и анализу схем аппаратуры связи, пользование справочной и специализированной литературой. Руководство содержит краткое описание элементной базы, используемой в курсовой работе, что позволяет студентам заранее подготовиться к выполнению работы, грамотно выполнить работу и в итоге защитить ее. В заключение руководства приведены требования по оформлению курсовой работы. В приложении имеется нормативный и справочный материал по элементной базе, используемой в работе. Стабилизаторы, рассматриваемые в курсовой работе, широко используются в зарядных устройствах, в качестве источников питания маломощных радиоэлектронных устройств. Источники питания РЭА будут рассмотрены далее в специальном курсе. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ Полупроводниковые диоды 1.1.1 Выпрямительные диоды Полупроводниковым диодом называют двухэлектродный полупроводниковый прибор, содержащий один или несколько электрических переходов (p‑ n‑ переходов или переходов металл-полупроводник). Области применения полупроводниковых диодов определяются их вольт-амперными характеристиками и параметрами. Под вольтамперной характеристикой (ВАХ) полупроводникового диода понимают зависимость тока через диод I от приложенного к нему напряжения U. Для вольт-амперной характеристики идеализированного p-n-перехода справедлива следующая формула (уравнение Шокли):
где I0 – обратный ток насыщения; φ T – температурный потенциал; U – напряжение на переходе. Температурный потенциал где k – постоянная Больцмана; T – температура по шкале Кельвина; q – заряд электрона. Температурный потенциал имеет размерность напряжения и при температуре 200С φ T ≈ 26 мВ. График вольтамперной характеристики, построенный согласно уравнению (1.1), приведен на рисунке 1. На характеристике принято выделять прямую ветвь, соответствующую прямому напряжению на p-n-переходе, и обратную ветвь, соответствующую обратному напряжению на p-n-переходе. Прямое напряжение считается положительным, а обратное – отрицательным. При увеличении прямого напряжения ток резко возрастает и при изменении напряжения на 60 мВ ток изменяется на порядок.
 При увеличении обратного напряжения обратный ток идеализированного p-n-перехода сначала быстро возрастает до значения I0, а затем остается неизменным.Уравнение вольтамперной характеристики можно разрешить относительно напряжения:
Продифференцировав это соотношение, найдём дифференциальное сопротивление p‑ n‑ перехода
При прямом напряжении дифференциальное сопротивление rдиф уменьшается с ростом тока I. При температуре Т=300 К и прямом токе I=1 мА получаем rдиф=26 Ом, т.е. при прямом напряжении дифференциальное сопротивление p-n-перехода составляет единицы Ом. При обратном напряжении дифференциальное сопротивление перехода rдиф. обр резко увеличивается и при I→ − I0, rдиф. обр→ ¥.
С увеличением температуры падение напряжения на p-n-переходе, включенном в прямом направлении, уменьшается (рисунок 2.) Обратный ток в реальных p-n-переходах обусловлен в основном тепловым током I0. Эта составляющая обратного тока сильно зависит от температуры и практически не зависит от приложенного напряжения. Вольтамперная характеристика перехода Шоттки(перехода металл-полупроводник) описывается тем же p-n-перехода. Отличие вольтамперной характеристики перехода Шоттки от характеристики p-n-перехода заключаются в том, что прямое падение напряжения на переходе Шоттки на (0, 2 ÷ 0, 4) В меньше, чем на p‑ n‑ переходе с аналогичными параметрами, изготовленном на основе кремния (рисунок 3). В реальных p-n-переходах при увеличении обратного напряжения наблюдается пробой, под которым понимают резкое увеличение обратного тока. Различают три вида пробоя: тепловой, лавинный и туннельный.
Туннельный пробой имеет место в сильно легированных p‑ n‑ переходах и связан с туннельным эффектом. Напряжение туннельного пробоя не превышает 5 В и очень слабо зависит от тока, протекающего через
На вольтамперную характеристику диода существенное влияние оказывает температура окружающей среды. При увеличении температуры обратный ток насыщения увеличивается у кремниевых диодов примерно в 2, 5 раза при изменении температуры на каждые 10°С. Максимально допустимое увеличение обратного тока диода определяет допустимую температуру диода, которая составляет 150 ÷ 200 °С для кремниевых диодов. Диоды общего применения характеризуются следующими основными параметрами: – дифференциальное сопротивление диода на прямой ветви ВАХ при заданном токе;
– сопротивление постоянному току в заданной точке ВАХ
– температурный коэффициент напряжения (ТКН) прямой ветви ВАХ
– допустимый прямой ток анода Iадоп; – обратное допустимое напряжениеUобр.доп. 1.1.2 Специальный диод – стабилитрон Стабилитроны предназначены для стабилизации напряжения. Их работа основана на использовании явления электрического пробоя р-n-перехода при включении диода в обратном направлении. Электрический пробой обратим, т. е. он не приводит к повреждению диода и при снижении обратного напряжения (или ограничения тока) свойства диода сохраняются. При прямом включении при увеличении температуры падение напряжения на стабилитроне уменьшается (рисунок 5)
ТКН = ∆ UПР/∆ t = – 2, 5 мВ/°С (1.7)
Если через стабилитрон протекает постоянный обратный ток, то при изменении температуры падение напряжения на нем также изменяется. При напряжении более 5 В ТКН положительный, при напряжении менее 5 В ТКН отрицательный, при напряжении 5 Вольт ТКН ≈ 0.
UСТ – идеальный источник напряжения, rСТ – внутреннее сопротивление этого источника – дифференциальное сопротивление стабилитрона, VD – идеальный диод с напряжением Uпр = 0 В. Основные параметры стабилитронов и их типовые значения. 1. Напряжение стабилизации UСТ – падение напряжения на стабилитроне при протекании заданного тока стабилизации (от нескольких долей вольта до сотен вольт). 2. Максимальный допустимый ток стабилизации IСТmax– наибольший ток стабилизации, при котором нагрев стабилитронов не выходит за допустимые пределы (от десятков миллиампер до единиц ампер). 3. Минимальный ток стабилизации IСТmin – наименьшее значение тока стабилизации, при котором режим пробоя устойчив, (единицы миллиампер). 4. Дифференциальное сопротивление rСТ – отношение приращения напряжения стабилизации к вызывающему его приращению тока стабилизации гст= ∆ UСТ/∆ IСТ (доли -десятки Ом). Дифференциальное сопротивление уменьшается при увеличении тока стабилизации. 5. Температурный коэффициент напряжения стабилизации ξ СТ ‑ относительное изменение напряжения стабилизации ∆ UСТ при изменении температуры окружающей среды на ∆ t 0С (ξ СТ - тысячные доли процента). Для стабилитронов этот параметр принято выражать в относительном изменении напряжения стабилизации
6. Температурный коэффициент напряжения при прямом включении стабилитрона ТКН = ∆ UПР/∆ t ≈ – 2, 5 мВ/°С. 7. Максимально допустимая рассеиваемая мощность РДОП = UСТ·IСТ max. Если выделяющаяся в виде тепла мощность превышает допустимую для стабилитрона, то прибор начнёт перегреваться и может наступить тепловой пробой. 1.1.3 Специальный диод – тиристор Тиристорами называют полупроводниковые приборы с тремя и более взаимодействующими p-n-переходами. В зависимости от числа выводов тиристоры делят на: - диодные (динисторы), имеющие два вывода - от анода и катода, - триодные (тринисторы), имеющие выводы от анода, катода и одной из эквивалентных баз, - тетродные, имеющие выводы от всех областей. В процессе работы тиристор может находиться в состоянии: · выключен или закрыт, в этом состоянии тиристор имеет высокое сопротивление и ток через него практически равен нулю; · включён или открыт, в этом состоянии тиристор имеет малое сопротивление, ток в цепи определяется внешним сопротивлением. 1.1.4 Специальный диод – светодиод Светодиод – прибор с p-n-переходом, излучающим свет при протекании через него прямого тока. По своим электрическим свойствам светодиод аналогичен обычному диоду. Отличие состоит в том, что напряжение отпирания при прямом включении составляет примерно 2 вольта. Светодиоды применяются для индикации наличия напряжения (тока) в электрической цепи, как источники света. 1.1.5 Обозначение диодов В основу обозначений универсальных диодов положен буквенно-цифровой код вида Х Х ХХХХ Х
1 2 3 4 5
1 – материал диода: Г или 1 – германий, К или 2 – кремний; А или 3 – соединения галлия. 2 – подкласс прибора: Д – диоды выпрямительные и импульсные, С – стабилитроны; 3 – функциональный параметр, подкласс прибора. 4 – число – порядковый номер заводской разработки. 5 – буква – классификация по параметрам (квалификационная литера).
Второй элемент – вид прибора – диод Д. Следующие элементы характеризуют его эксплуатационные свойства. Например, диод общего применения КД101А расшифровывается как кремниевый диод малой мощности, разработки номер 01, разновидности А. Условное графическое обозначение (УГО) диодов общего применения на принципиальных схемах приведено на рисунке 7.
Если к аноду приложено положительное напряжение, а к катоду – отрицательное, то диод включен в прямом направлении и открыт. На диоде выделяется напряжение UПР и течёт прямой ток IПР. Если к аноду приложено отрицательное напряжение, то диод включён в обратном направлении и закрыт, через диод протекает обратный ток малой величины IОБР. Если приложенное обратное напряжение превышает напряжение пробоя, то происходит электрический пробой диода и в цепи потечёт ток.
Тиристоры также обозначаются буквенно-цифровым кодом: - первый элемент – исходный материал; - второй элемент – вид прибора: Н – диодный тиристор – динистор (неуправляемый), У – триодный тиристор – (управляемый).
На рисунке 10 приведено УГО светодиода. Система обозначений светодиодов аналогична обозначениям прочих диодов. Второй компонент обозначения буква Л – светоизлучающий диод. Например, АЛС331 расшифровывается следующим образом: А – материал арсенид галлия, ЛС – матрица светодиодов. Последующие цифры обозначают номер разработки и эксплуатационные свойства. Биполярные транзисторы 1.2.1 Общие положения Транзисторами называются полупроводниковые приборы с двумя взаимодействующими n‑ p‑ переходами. По чередованию переходов транзисторы бывают двух типов: p-n-p – транзисторы и n-p-n – транзисторы (рисунок 11). Средний слой транзистора называют базой (Б), один из крайних – эмиттером (Э), другой – коллектором (К). Стрелка в обозначении эмиттера показывает направление протекания положительного тока.
 В зависимости от того, какой из электродов транзистора является общим для входной и выходной цепей, различают три схемы включения:
Наиболее часто применяется схема ОЭ, так как позволяет получить наибольший коэффициент усиления по мощности. Схема ОК усиливает электрический ток и мощность, но не усиливает напряжение. Схема ОБ обеспечивает усиление напряжения и мощности, но не усиливает ток. Токи электродов транзистора связаны соотношением
IЭ= IБ + IК (1.9) В транзисторе, включённом по схеме ОЭ, ток коллектора
IК=α ·IЭ + IКЭО (1.10)
где α – коэффициент передачи тока эмиттера в коллектор (α =0, 9, …; 099); IКЭО – обратный ток коллекторного перехода, в схеме ОЭ равен току коллектора при разомкнутом выводе базы (IБ = 0). Подставив (1.9) в (1.10) получим:
В выражении (1.11)
Так как IКБО < < IК и IКБО < < IБ, то коэффициент передачи тока базы
Статические вольт-амперные характеристики для схемы включения ОЭ представлены на рисунке 13. На рисунке 13, а IБ = Const. На рисунке 13, а показано построение характеристического треугольника для определения входного сопротивления транзистора в системе h – параметров
На рисунке 13, б показано определение коэффициент усиления транзистора. Коэффициент определяется через приращения токов базы и коллектора при постоянном напряжении UКЭ (на рисунке UКЭ = 5 В)
Для транзисторов малой мощности (РК < 300 мВт) этот параметр определяется при напряжении UКЭ = 5 В. Для транзисторов средней мощности (РК < 3 Вт) – при напряжении UКЭ = (10 ÷ 15) В.
Определение выходной проводимости транзистора h22Э в системе h‑ параметров показано на рисунке 14.
Обратная выходной проводимости величина определяет дифференциальное сопротивление коллекторного перехода
Его значение находятся в пределах 10 ÷ 100 кОм.
Дифференциальное сопротивление перехода эмиттер–база rЭ зависит от постоянной составляющей тока эмиттера
Значение сопротивления гЭ лежит в пределах от единиц до десятков Ом.
Объёмное сопротивление базы
rб = h11э – (В + 1)∙ rЭ, (1.19) Обычно гб > > гЭ и для маломощных транзисторов составляет 1.2.2 Система обозначения транзисторов В основу системы положен буквенно-цифровой код. Первый элемент (цифра или буква) обозначает исходный полупроводниковый материал аналогично диодам. Второй элемент определяет подкласс прибора. Т – подкласс транзистор биполярный. Третий – функциональные возможности транзистора – допустимую мощность рассеяния и граничную частоту. Четвёртый – порядковый номер разработки технологического типа транзистора. Обозначается цифрами от 01 до 99 (в последнее время появились разработки с номерами от 101 до 999) Пятый – обозначает дополнительные параметры транзистора в данной разработке. Они обозначают буквами русского алфавита Например, транзистор КТ301А – кремниевый транзистор биполярный, высокочастотный, малой мощности, номер разработки 01, разновидности А. Обозначение транзистора на принципиальных схемах нормировано и приведено на рисунках 11 и 12. Направление стрелки эмиттера показывает положительное направление тока эмиттера. Изображение транзистора с выводами можно поворачивать на 90 градусов. Стандарт разрешает не изображать окружность. 1.2.3 Допустимые электрические и тепловые параметры Максимально допустимые напряжения это такие предельные напряжения, при которых транзистор не теряет своих электрических свойств. Превышение этих напряжений не допускается, т.к. может наступить электрический пробой р-n-переходов транзистора. В справочниках приводятся значения допустимых напряжений UКБmах, UКЭmах, UЭБmах. Максимально допустимая рассеиваемая мощность коллектора Pк.max – наибольшая мощность, рассеиваемая коллектором транзистора при температуре окружающей среды ТС (или корпуса TК).
Определение исходных данных По соотношениям (2.6, 2.7) оценивается возможность использования параметрического стабилизатора (рисунок 15). Если параметрический стабилизатор не может обеспечить требуемый ток нагрузки, то можно попытаться включить транзистор для увеличения выходного тока стабилизатора (рисунок 16). Введение транзистора VТ позволит увеличить ток нагрузки
Выбор транзистора Порядок выбора элементов стабилизатора рассмотрим на примере (вариант 0). Напряжение стабилизации UСТ = 10±0, 1 В, номинальное значение тока нагрузки IН = 50±10 мА. Таким образом, необходимо обеспечить работу стабилизатора при IHmax = 60 мА. Такой ток эмиттера могут обеспечить транзисторы средней мощности серий 401-499 или 501-599 [10, 11]. Транзистор включён по схеме с общим коллектором, поэтому можно принять, что ток коллектора равен току эмиттера IК ≈ IЭ. Кроме того нагрузка включена последовательно в цепь эмиттера транзистора, поэтому IЭ = IН.
1. Выбор транзистора. Транзистор выбирается по максимальному значению тока коллектора IKmax и допустимой мощности рассеяния. При выборе руководствуются следующим: максимальный ток коллектора, указанный на ВАХ, должен лежать в пределах (1, 1÷ 1, 5)∙ IHmax. Не следует выбирать транзисторы со слишком большим запасом по допустимому току. В примере выбирается транзистор с током коллектора 65 мА ≤ IKmax ≤ 100 мА. Для указанного условия подходит транзистор типа КТ611В (таблица 4). 2. Определяется коэффициент усиления В по вольт-амперным коллекторным характеристикам выбранного транзистора В = ∆ IK/∆ IБ при напряжении UKЭ = 10 В (характеристики позиции 5.2.8). Методика определения показана на рисунке 13, б. Для выбранного транзистора получаем В ≈ 50. 3. Определяется необходимый максимальный ток базы
IБmax= IКmax/В = 1, 2 мА.
4. Для нормальной работы транзистора средней мощности напряжение между коллектором и эмиттером должно быть не менее 10 вольт. Примем напряжение UКЭ = 10 В. При этом минимальное напряжение на коллекторе оказывается равным UKmin= UИmin= 20 В (рисунок 16). По заданию напряжение источника питания может изменяться в диапазоне ±15%, что составит 24, 0 ±3, 6 В, UИmах= 27, 6 В. Таким образом, к транзистору прикладывается максимальное напряжение UКЭmax = UИmах – UН = 27, 6 – 10, 0 = 17, 6 В. 5. На основании приведённых расчётов выбирается источник питания для стабилизатора. Среднее значение напряжения UИср = 24 В. 6. Определяется мощность рассеяния на коллекторе транзистора
РК = UКЭmax∙ IКmax= 27, 6·0, 06 = 1, 66 Вт < РКДОП = 1, 8 Вт.
7. Если полученная мощность рассеяния превышает допустимую, то транзистор необходимо поместить на радиатор. Выбор необходимой площади радиатора производится по графикам (рисунок 24) справочных данных. Определяется превышение мощности в процентах, проводится горизонтальная линия до пересечения с графиком и определяется площадь радиатора. 8. Если используется транзистор на основе германия, то напряжение база–эмиттер следует принять равным (0, 2 ÷ 0, 3) В. 9. Для транзисторов средней мощности на основе германия следует воспользоваться теми же коллекторными характеристиками, что и для кремниевых соответствующей мощности. Входные характеристики для германиевых транзисторов представлены отдельно.
Выбор стабилитрона Напряжение стабилизации UСТ = 10 В. Стабилитрон включён в цепь базы транзистора. Его напряжение стабилизации должно быть больше на величину падения напряжения на переходе база-эмиттер UБЭ. Для кремниевых транзисторов UБЭ ≈ 0, 8 В, для германиевых UБЭ ≈ 0, 25 В. 1. Учитывая падение напряжения UБЭ ≈ 0, 8 В выберем стабилитрон типа КС210В (таблица 2). Его напряжение UСТ = 11 В, максимальный ток IСТmax = 20 мА, ТКН ξ = + 7, 5 10‑ 2 %/ОС. Оценим изменение напряжения стабилизации при изменении температуры на Δ t = 400С. Δ UСТ = UСТ ξ ∙ Δ t = 11∙ 0, 075· 40 = 0, 3 В. Напряжение UСТ = 10 В изменяется на 0, 33 В (330 мВ). Такой температурный дрейф недопустим по заданию. Требуется введение термокомпенсации. 2. Чтобы скомпенсировать положительный ТКН стабилитрона VD1,
3. После этого необходимо выбрать основной стабилитрон VD1 с напряжением UСТ ≈ (UН – UК+ 0, 8 В) = (10 – 3, 1 + 0, 8) = 7, 7 В (при условии, что транзистор на основе кремния UБЭ = 0, 8 В). Для рассматриваемого примера подходит стабилитрон КС175А с напряжением UCT = 7, 5 ± 5% B. Внимание! При заданном напряжении стабилизации более 12 В следует включить последовательно два стабилитрона. При этом желательно один из них выбрать на напряжение 5 В, при котором ξ СТ ≈ 0. Полной термокомпенсации данным способом получить не удаётся.
ТРЕБОВАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ РАБОТЫ 4.1 Оформление работы Популярное:
|
Последнее изменение этой страницы: 2016-04-11; Просмотров: 580; Нарушение авторского права страницы
(1.1)
(1.3)
(1.4)
(1.5)
(1.6)
(1.8)
(1.11)
– статический коэффициент передачи тока базы (в коллектор), т.е.
. (1.12)
. (1.13)
изображены входные характеристики IБ = ƒ (Uбэ) при UКЭ = Const, на рисунке 13, б 
. (1.14)
(1.15)
. (1.16)
(1.17)
(1.18)