МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ухтинский государственный технический университет» (УГТУ) Кафедра электрификации и автоматизации технологических процессов Силовая электроника Методические указания V1 EК Uбэ Uвх Rн Uвых V2 Ухта, УГТУ, 2014 EК УДК 621.314(075.8) ББК 32.85 я7 Я 31 Я 31 Ягубов, З. Х. Силовая электроника [Текст] : метод. указания / З. Х. Ягубов, А. Э. Старцев, Л. П. Бойченко. – Ухта : УГТУ, 2014. – 51 c., ил. Данные методические указания предназначены для выполнения контрольной работы по дисциплине «Силовая электроника» для бакалавров заочной формы обучения направления 140400 – Электроэнергетика и электротехника. В методических указаниях приведены основные разделы рабочей программы, краткие теоретические сведения об источниках вторичного электропитания, технические данные и последовательность выполнения контрольной работы. Содержание методических указаний соответствует учебной рабочей программе. Методические указания рассмотрены и одобрены кафедрой ЭАТП, протокол №10 от 27декабря 2013 года. УДК 621.314(075.8) ББК 32.85 я7 Рецензент: К. Е. Чаадаев, доцент кафедры ЭАТП Ухтинского государственного технического университета (УГТУ). Редактор: С. В. Полетаев, старший преподаватель кафедры ЭАТП Ухтинского государственного технического университета. Корректор: К. В. Коптяева. Технический редактор: Л. П. Коровкина. В методических указаниях учтены предложения рецензента и редактора. План 2014 г., позиция 106. Подписано в печать 28.02.2014. Компьютерный набор. Объем 51 с. Тираж 110 экз. Заказ №282. © Ухтинский государственный технический университет, 2014 169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Первомайская, д. 13. Типография УГТУ. 169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Октябрьская, д. 13. ОСНОВНЫЕ РАЗДЕЛЫ РАБОЧЕЙ ПРОГРАММЫ 1. Цели и задачи дисциплины, её место в учебном процессе 1.1 Цель преподавания дисциплины: Изучение студентами принципов действия схем, конструктивных особенностей, методов расчёта основных электронных, полупроводниковых устройств, микропроцессорных ИС для получения сведений об их режимах, характеристиках, необходимых при изучении дисциплин, формирующих профиль специальности. 1.2 Задачи изучения дисциплины: В результате изучения данной дисциплины студент должен знать теоретические основы промышленной электроники, микропроцессорных и преобразовательных устройств в объёме, необходимом для решения производственных, проектных, конструкторских и исследовательских задач. 1.3 Перечень дисциплин с указанием разделов (тем), усвоение которых студентами необходимо для изучения данной дисциплины: Высшая математика – статистический подход к расчёту электронных схем, обусловливает необходимость знаний по теории вероятности и математической статистике. Физика – теория полупроводников. ТОЭ – преобразование электрических цепей, схемы замещения, методы расчёта электрических цепей, схемы замещения трансформатора. Избирательные (резонансные) цепи. Переходные процессы в цепях с сосредоточенными параметрами. 1.4 Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины (модуля) Таблица 1 – Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения дисциплины № п-п 1 1 2 3 4 Содержание формируемых компетенций 2 Профессиональные (ПК) Способность разрабатывать простые конструкции электроэнергетических и электротехнических объектов Способностью использовать методы анализа и моделирования линейных и нелинейных электрических цепей постоянного и переменного тока Способность графически отображать геометрические образы изделий и объектов электрооборудования, схем и систем Готовность обосновывать принятие конкретного технического решения при создании электроэнергетического и электротехнического оборудования 3 Индекс компетенции 3 ПК-9 ПК-11 ПК-12 ПК-14 Окончание таблицы 1 1 5 6 2 Способность рассчитывать схемы и элементы основного оборудования, вторичных цепей, устройств защиты и автоматики электроэнергетических объектов Способность рассчитывать режимы работы электроэнергетических установок различного назначения, определять состав оборудования и его параметры, схемы электроэнергетических объектов 3 ПК-15 ПК-16 В результате освоения дисциплины обучающийся должен: Знать: - основные методы расчётов электроэнергетических установок; методы расчётов по внедрению нового оборудования; - курс ТОЭ, монтаж и наладку электрооборудования, основы электроснабжения, ФОЭ; - порядок организации разработки проектов технических условий, стандартов и технических описаний; - основы начертательной геометрии и инженерной графики; ГОСТ отображения всех используемых элементов в конкретной области; - основные понятия и законы электромагнитного поля и теории электрических и магнитных цепей, методы анализа цепей постоянного и переменного токов в стационарных и переходных режимах; - принцип работы, технические характеристики, конструктивные особенности разрабатываемых и используемых технических средств, объектов, материалов и их свойств. Уметь: - пользоваться нормативно-технической документацией; - применять понятия и законы электромагнитного поля и теории электрических и магнитных цепей для составления и расчёта схем замещения электротехнических устройств; - применять стандарты и правила построения и чтения чертежей и схем; - грамотно аргументировать принятое решение и пользоваться проектировочной литературой; - грамотно пользоваться справочной литературой, ПУЭ, МПОТ, ПТЭ; - выбирать оборудование для замены в процессе эксплуатации и в процессе проектирования. Владеть: - знаниями в области устройства электроустановок; навыками составления схем электроэнергетических объектов; 4 - навыками чтения схем, расчёта, выбора и проверки принятого к установке электрооборудования. Обладать знаниями в области классификации объектов по пожаро- и взрывобезопасности, а также по категории электроснабжения; - навыками устной и письменной речи; - навыками черчения, чтения, а также работы с графическими редакторами; - методами расчётов сосредоточенных и распределённых, линейных и нелинейных электрических цепей в различных режимах, методами расчёта переходных и установившихся процессов в линейных и нелинейных электрических цепях; - знаниями в области проектирования электроэнергетических и электротехнических конструкций. 5 2. Структура и содержание дисциплины лаборат. занятия 4 5 6 7 ДНЕВНОЕ ОБУЧЕНИЕ 6 8 9 10 11 0 Кр 121 6 сем. - 36 0 ЗАОЧНОЕ ОБУЧЕНИЕ 8 0 8 0 Кр 121 6 сем. - Кр Кр 198 198 6 сем. 6 сем. - 54 Итого 90 54 Итого 18 18 10 10 36 6 семинары практич. занятия В том числе: 90 6 Зачёт лекции 3 Экзамен Всего аудит. ч 2 Объём самостоятельной работы , ч Числа недель Х часов в неделю 1 курсовые проекты или работы Семестр 2.1 Объём дисциплины и виды учебной работы Таблица 2 – Объём дисциплины и виды учебной работы 2.1.1 Объём часов и зачётных единиц по дисциплине Таблица 3 – Объём часов и зачётных единиц по дисциплине Наименование раздела (модуля). Наименование темы дисциплины 7 1 Раздел 1. Усилители электрических сигналов Тема. Классификация. Классы усиления. Усилительный каскад Раздел 2. Многокаскадный усилитель Темы: Обратная связь. Усилитель с резистивной связью Раздел 3. Усилитель мощности УПТ Темы: Каскады усиления мощности с трансфор. и бестрансфор. подключением нагрузки. Диф. усилитель Раздел 4. Операционные избирательные усилители Темы: Основные параметры и характеристики операционного усилителя Всего Формируемые часов компетенции Аудиторные занятия по формам обучения В том числе: лекции очная заочная 6 7 - практические очная заочная 8 9 - СРС лабораторные очная заочная 10 11 - очная заочная 3 ПК-9,14,15 4 - 5 - ПК-11,12 10 2 5 - - - 2 ПК-12,14,16 - - - - - - ПК-11 10 2 5 1 - - ПК-11,16 - - - - - - ПК-9,11,12 10 2 5 1 - ПК-9,14,16 - - - - - ПК-16,11,12 10 2 5 1 - 2 - - очная 12 - заочная 13 - 1 20 20 - - - - - 4 1 20 20 - - - - - 4 1 20 20 - - - - - - 2 1 20 20 Окончание таблицы 3 8 1 Раздел 5. Генераторы синусоидальных колебаний Темы: LC-генератор RC- генератор RC-генератор на операционном усилителе Условия самовозбуждения автогенераторов Раздел 6. Основы алгебры логики Темы: Логические эл-ты на диодах, биполярных и полевых транзисторах Раздел 7. Основы цифровой техники Темы: Интегральные триггеры. Асинхронные RS триггеры, на элементах И-НЕ, ИЛИ-НЕ. Синхронные (такт.) триггеры Раздел 8. Основы цифровой техники Темы: Д-триггер. JK-триггер. Счётчики. Распределители импульсов Раздел 9. Цифровые устройства Темы: Регистры. Цифроаналоговые и аналоговоцифровые преобразователи Всего часов Зачётных единиц 2 - - - - - 216 6 3 ПК-9,14,15 4 - 5 - 6 - 7 - 8 - 9 - 10 - 11 - 12 - 13 - ПК-11,12 10 2 5 1 - - 4 1 20 20 ПК11,12,14,15 ПК-14,15 - - - - - - - - - - 10 2 5 1 - - 4 1 6 28 ПК-15,16 - - - - - - - - - - ПК-9 10 2 9 1 - - 4 - 5 30 ПК-11,16 - - - - - - - - - - ПК-12,14 10 2 10 2 - - 6 1 5 20 ПК-9,15 ПК-11,12 10 2 5 2 - - 6 1 5 20 90 18 54 10 0 0 36 8 121 198 2.1.2 Наименование тем, их содержание, объём в часах лекционных занятий (по семестрам) Таблица 4 – Наименование тем, их содержание, объём в часах лекционных занятий (по семестрам) Номер темы Наименование темы 1 Усилители электрических сигналов Многокаскадный усилитель 2 3 4 5 6 7 8 9 Усилитель мощности УПТ Операционные избирательные усилители Генераторы синусоидальных колебаний Основы алгебры логики Основы цифровой техники Основы цифровой техники Цифровые устройства Основное содержание темы 6 семестр Классификация. Классы усиления. Усилительный каскад Обратная связь. Усилитель с резистивной связью Каскады усиления мощности с трансфор. и бестрансфор. подключением нагрузки. Диф. усилитель Основные параметры и характеристики операционного усилителя LC- генератор, RC- генератор, RC-генератор на операционном усилителе. Условия самовозбуждения автогенераторов Логические эл-ты на диодах, биполярных и полевых транзисторах Интегральные триггеры. Асинхронные RS триггеры, на элементах И-НЕ, ИЛИ-НЕ. Синхронные (такт.) триггеры Д-триггер. JK-триггер. Счётчики. Распределители импульсов Регистры. Цифроаналоговые и аналоговоцифровые преобразователи Итого 9 Кол. часов дн. заоч. 5 - 5 1 5 1 4 1 5 1 5 1 9 1 10 2 5 2 54 10 2.1.3 Наименование тем (вопросов), выделенных для самостоятельной работы студентов Таблица 5 – Наименование тем (вопросов), выделенных для самостоятельной работы студентов № тем 1 2 3 Наименование темы (вопроса) Запоминающие устройства Основное содержание темы (вопроса) ЗУ с произвольной выборкой. Интегральные ЗУПВ Диф. усилители Методы обеспечения пост. тока симметрии. Термокомпенсац. диф. усил. Микропроцессоры Функциональные схемы микропроцессоров ИТОГО: Объём в часах 50/80 Литература Л. 4 50/34 Л. 2 21/80 Л. 3 121/194 2.1.4 Лабораторные занятия, их наименование и объём в часах Таблица 6 – Лабораторные занятия, их наименование и объём в часах Номер работы 1 Наименование лабораторной работы Объём в часах Исследование однофазного выпрямителя с различными фильтрами 2 2 Исследование трёхкаскадного транзисторного усилителя 4 3 Исследование логических элементов И, ИЛИ, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ 4/2 4 Исследование различных триггеров на интегральной микросхеме 4/2 5 Исследование однофазного инвертора 6 6 Исследование операционного усилителя 6/2 7 Исследование параллельного, последовательного и универсального регистров ИТОГО 6/2 10 36/8 3 Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины 3.1 Основная и дополнительная литература Таблица 7 – Основная и дополнительная литература №№ п-п Автор и наименование 1 7 Дубнищев Ю. Н. Теория и преобразование сигналов в оптических системах. Шило В. Л. Линейные интегральные схемы в РЭА Аналоговые и цифровые интегральные микросхемы. С. В. Якубовский [и др.] ; под ред. С. В. Якубовского Токхейм Р. Основы цифровой электроники ; пер. с англ. Лавриненко В. Ю. Справочник по п/п приборам Ягубов З. Х., Голубев Е. Б. Расчёт электронных и преобразовательных устройств В. А. Прянишников. Электроника 8 З. Х. Ягубов. Физические основы электроники 2 3 4 5 6 Вид пособия У Год издания 2011 Кол-во экз. в библиот. 40 У 2008 5 Др 2005 10 Др 2007 10 Др Уп 1984 1995 2 30 У 2004 25 У 2005 100 3.2 Учебно-методические пособия и указания Таблица 8 – Учебно-методические пособия и указания №№ п-п Наименование 1 Ягубов З. Х., Бойченко Л. П. Практикум по физическим основам электроники с использованием программы Electronics Workbench. Часть 1 Ягубов З. Х., Бойченко Л. П. Практикум по физическим основам электроники с использованием программы Electronics Workbench. Часть 2 Тарасенко И. А., Ягубов З. Х. Расчёт низкочастотного усилителя : метод. указания по выполнению курсовой работы по дисциплине «Электронные микропроцессорные преобразовательные устройства» 2 3 11 Год издания (состава) 2005 Кол-во экз. 2005 120 2001 50 120 3.4 Тренировочные задачи и теоретические вопросы Задача 1 Изобразить схемы трёхфазных выпрямителей: с выводом нулевой точки и мостовую, работающие на активно-индуктивную нагрузку. Трансформаторы, дроссели, вентили считать идеальными, выпрямленный ток полностью сглаженный. При заданных одинаковых для обеих схем токах нагрузки Iα и средних значениях выпрямленных напряжений Eα /табл. 9/ рассчитать схемы. При этом для каждой из них определить: 1) амплитудные значения линейных напряжений / максимальные величины обратных напряжений в вентилях; 2) средние значения токов через вентили; 3) тип вентилей; 4) расчётные мощности трансформаторов /для схемы с выводом нулевой точки Ртр = 1,35 Рα, для мостовой схемы Ртр = 1,05 Рα , где Pα = IαEα; 5) индуктивность дросселя, Lдр, необходимую для полного сглаживания тока (считая, что оно достигается при ωпLдр ≥ 5Rн, где ωп – частота пульсации, Rн – сопротивление нагрузки). Провести краткий сравнительный анализ рассчитанных схем. Таблица 9 № варианта Еа 1а 1 400 25 2 3 4 5 200 500 300 500 10 5 30 20 6 200 2 7 8 240 200 8 20 9 430 30 0 100 5 Задача 2 Рассчитать двухтактный бестрансформаторный усилитель мощности (рис. 1) при условии, что для этой схемы пары транзисторов заданы (табл. 10), а нагрузка должна быть выбрана так, чтобы снять с них максимум полезной мощности. На вход поступает синусоидальный сигнал. V1 EК Rн Uбэ Uвх Uвых V2 EК Рисунок 1 – Схема двухтактного бестрансформаторного усилителя мощности 12 Таблица 10 Тип транзисторов № варианта р-п-р Параметры транзисторов п-р-п 1кдоп, А Uклоп, В Р*клоп, Вт h21 мин 1 2 3 4 5 КТ814А КТ814В КТ814Г КТ816А КТ816В КТ815А КТ815В КТ815Г КТ817А КТ817В 1,5 1,5 1,5 3,0 3,0 40 70 100 40 60 10 10 10 25 25 40 40 30 25 25 6 КТ816Г КТ817Г 3,0 100 25 25 7 КТ818А КТ819А 10 40 60 15 8 КТ818В КТ819В 10 70 60 15 9 10 ГТ402Б ГТ402В ГТ404Б ГТ404В 0,5 0,5 25 40 2,0 2,0 60 30 Задача 3 Изобразить схему мощного трёхфазного регулируемого выпрямителя с выводом нулевой точки. Привести описание её работы, временные диаграммы выходных напряжений, токов вентилей, считая индуктивность дросселя Lдр = ∞, а индуктивности рассеяния – La ≠ 0. Диаграммы изобразить, считая угол регулирования α = 45º. Рассчитать и построить: 1) внешние характеристики выпрямителя (зависимость среднего значения выпрямленного напряжения, Еα, от тока, Iα) для углов регулирования α = 0 и α = 45°; 2) регулировочную характеристику (зависимость среднего значения напряжения холостого хода), Еα, от угла регулирования, α. Все расчёты вести в абсолютных единицах. Данные для расчета сведены в таблицу 3. Таблица 11 № варианта Еα, в Iα мах, А Lαм, Гн 1 400 150 1,8 2 150 400 0,25 3 200 100 1,0 4 500 100 1,7 5 250 150 0,8 6 100 300 0,2 7 200 50 2,0 8 300 120 0,8 9 600 80 0,4 0 350 200 1,2 При решении задачи рекомендуется пользоваться литературой [1, 2]. 13 Задача 4 Изобразить схему симметричного триггера на биполярных транзисторах с коллекторно-базовыми связями, раздельными входами и внешним смещением. Привести краткое описание его работы, временные диаграммы входных и выходных сигналов. Рассчитать триггер. Заданы: Амплитуда выходных импульсов, UBых. Длительность фронта импульсов, τфронта. Длительность фронта даётся при переходе транзистора в режим насыщения. Частота переключения, Fпер. Таблица 12 № вариант 1 UBых, в 5 τфронта, не > 0,2 Fпер, кГц 50 2 30 2,0 20 3 20 0,5 30 4 10 0,3 50 5 5 0,1 100 6 20 1,0 25 7 10 0,2 30 8 15 0,4 20 9 20 1,0 15 0 25 1,5 10 3.5 Вопросы для самопроверки усвоения теоретического материала (для студентов очной и заочной форм обучения) 1. Режимы работы усилительных элементов. 2. Режим класса А. 3. Режим класса В. 4. Режим класса С. 5. Динамический режим работы транзистора. 6. Построение сквозной динамической характеристики. 7. Расчёт коэффициента гармоник. 8. Основные показатели, характеризующие работу усилителя. 9. Амплитудная характеристика усилителя. 10. Частотная характеристика усилителя. 11. Динамический диапазон усилителя. 12. Полоса пропускания усилителя. 13. Чувствительность усилителя. 14. Резистивный каскад. Принципиальная схема. 15. Эквивалентная схема резистивного каскада. 16. Частотная характеристика резистивного каскада. 17. Роль разделительных конденсаторов в резистивном каскаде. 18. Трансформаторный каскад. Принципиальная схема. 19. Эквивалентная схема трансформаторного каскада. 14 20. Частотная характеристика трансформаторного каскада. 21. Двухтактные каскады. Преимущества. 22. Двухтактный трансформаторный каскад. 23. Двухтактный бестрансформаторный каскад. 24. Коэффициент асимметрии. 25. Использование комплиментарных транзисторов в двухтактных схемах. 26. Фазоинверсный каскад. 27. Обеспечение равенства амплитуд выходных напряжений фазоинверсного каскада. 28. Обратная связь в электронных схемах. 29. Отрицательная обратная связь ООС. 30. Влияние ООС на коэффициент усиления. 31. Глубина ООС. 32. Глубокая ООС. 33. Схемы с ООС. 34. Положительная обратная связь. 35. Самовозбуждение усилителей. 36. Амплитудные условия самовозбуждения. 37. Фазовые условия самовозбуждения. 38. Схемы с ПОС. 39. Операционные усилители. Частотная характеристика. 40. Построение структурной схемы усилителя. 41. Построение принципиальной схемы усилителя. 42. Выбор транзисторов для каскадов усиления. 43. Температурная стабилизация в транзисторных схемах. 44. Дискретизация аналоговых сигналов. 45. Теорема Котельникова. 46. Логические операции. 47. Асинхронные RS триггеры на элементах И-НЕ. Временные диаграммы. 48. Асинхронные RS триггеры на элементах ИЛИ-НЕ. Временные диаграммы. 49. Д-триггеры. 50. Временные диаграммы Д-триггера. 51. Синхронные Т-триггеры. 52. Временные диаграммы Т-триггера. 53. Т-триггеры (М-S схема). 54. Временные диаграммы М-S-схемы. 15 55. 56. 57. 58. 59. 60. 61. 62. 63. 64. 65. 66. Регистр сдвига. Счётчики импульсов. Однофазные выпрямители. Принцип действия. Однополупериодный выпрямитель с активной нагрузкой. Однополупериодный выпрямитель с активно-индуктивной нагрузкой. Однофазный выпрямитель с нулевым выводом. Мостовая схема выпрямителя. Сглаживающие Г-образные фильтры с активным сопротивлением. Сглаживающие Г-образные фильтры с индуктивным сопротивлением. П-образные сглаживающие фильтры. Стабилизаторы. Параметрические стабилизаторы. 16 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 4 Источники вторичного электропитания Средства вторичного электропитания электронных устройств, называемых обычно источниками вторичного электропитания (ИВЭП), предназначены для формирования необходимых для работы электронных элементов напряжений с заданными характеристиками. Они могут быть выполнены в виде отдельных блоков или входить в состав различных функциональных электронных узлов. Их основной задачей является преобразование энергии первичного источника в комплект выходных напряжений, которые могут обеспечить нормальное функционирование электронного устройства. Обобщённая структура ИВЭП приведена ниже. Рисунок 2 – Обобщённая структура ИВЭП Выпрямление переменного тока – преобразование переменного тока (обычно промышленной частоты) в постоянный ток. Этот вид преобразования тока получил наибольшее развитие, так как часть потребителей электрической энергии может работать только на постоянном токе (электрохимические и электрометаллургические электролизные ванны, сварочные устройства, заряд аккумуляторных батарей, радиотехническая аппаратура и т. д.). Другие же потребители (электропривод, системы электрической тяги, линии передачи электрической энергии очень высокого напряжения) имеют на постоянном токе лучшие характеристики, чем на переменном токе. Выпрямители используются в блоках питания радиоэлектронных устройств для преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение. 17 Схема любого выпрямителя содержит три основных элемента: • силовой трансформатор – устройство для понижения или повышения напряжения питающей сети и гальванической развязки сети с аппаратурой; • выпрямительный элемент (вентиль), имеющий одностороннюю проводимость, – для преобразования переменного напряжения в пульсирующее напряжение; • фильтр – для сглаживания пульсирующего напряжения. Выпрямители могут быть классифицированы по ряду признаков: • по схеме выпрямления – однополупериодные, двухполупериодные, мостовые, с удвоением (умножением) напряжения, многофазные и др.; • по типу выпрямительного элемента – ламповые (кенотронные), полупроводниковые, газотронные и др.; • по величине выпрямленного напряжения – низкого напряжения и высокого; • по назначению – для питания анодных цепей, цепей экранирующих сеток, цепей управляющих сеток, коллекторных цепей транзисторов, для зарядки аккумуляторов и др. Основными характеристиками выпрямителей являются: • номинальное напряжение постоянного тока – среднее значение выпрямленного напряжения, заданное техническими требованиями. Обычно указывается напряжение до фильтра, U0, и напряжение после фильтра (или отдельных его звеньев – U). Определяется значением напряжения, необходимым для питаемых выпрямителем устройств; • номинальный выпрямленный ток, I0, – среднее значение выпрямленного тока, т. е. его постоянная составляющая, заданная техническими требованиями. Определяется результирующим током всех цепей, питаемых выпрямителем; • напряжение сети, U сети, – напряжение сети переменного тока, питающей выпрямитель. Стандартное значение этого напряжения для бытовой сети – 220 вольт с допускаемыми отклонениями не более 10%; • пульсация – переменная составляющая напряжения или тока на выходе выпрямителя. Это качественный показатель выпрямителя; • частота пульсаций – частота наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя. Для самой простой – однополупериодной схемы выпрямителя – частота пульсаций равна частоте питающей сети. Двухполупериодные, мостовые схемы и схемы удвоения напряжения дают пульсации, частота которых равна удвоенной частоте пи18 тающей сети. Многофазные схемы выпрямления имеют частоту пульсаций, зависящую от схемы выпрямителя и числа фаз; • коэффициент пульсаций – отношение амплитуды наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя к среднему значению напряжения или тока. Различают коэффициент пульсаций на входе фильтра (p0, % ) и коэффициент пульсаций на выходе фильтра (p, %). Допускаемые значения коэффициента пульсаций на выходе фильтра определяются характером нагрузки. Таблица 13 – Основные характеристики схем выпрямления Схема выпрямления T 1 = u dt T ∫ U обр fп р р1 I ср U1m π 2 fc π π/2 * I ср .в U1m Однофазная мостовая (б) U1m 2U sin α d α = 1m π π 2 fc π/2 2/3 I ср. в / 2 U1m Однофазная с выводом средней точки (в) U1m 2U sin α d α = 1m π π 2 fc π/2 2/3 I ср. в / 2 2U1m Однофазная однополупериодная (а) где U ср 0 π U1m sin α 2π ∫ dα = 0 π ∫ 0 π ∫ 0 f п – частота пульсаций выходного напряжения (тока); р – коэффициент пульсаций: p= ∆U П (U max − U min ) = ; U ср U ср р1 – коэффициент пульсаций по первой гармонике: p1 = U m1вых ; U ср I ср – среднее значение выпрямленного тока; U обр – обратное напряжение на диоде в закрытом состоянии. 19 Однополупериодный выпрямитель Рисунок 3 – Схема однополупериодного выпрямителя и его характеристики: U2 – напряжение на вторичной обмотке трансформатора; Uн – напряжение на нагрузке; Uн0 – напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора Как видно на осциллограммах, напряжение со вторичной обмотки трансформатора проходит через вентиль на нагрузку только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды вентиль закрыт, и напряжение в нагрузку подаётся только с заряженного в предыдущий полупериод конденсатора. При отсутствии конденсатора пульсации выпрямленного напряжения довольно значительны. Недостатками такой схемы выпрямления являются: высокий уровень пульсации выпрямленного напряжения, низкий КПД, значительно больший, чем в других схемах, вес трансформатора и нерациональное использование в трансформаторе меди и стали. Данная схема выпрямителя применяется крайне редко и только в тех случаях, когда выпрямитель используется для питания цепей с низким током потребления. Двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой Рисунок 4 – Двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой: U2 – напряжение на одной половине вторичной обмотки трансформатора; Uн – напряжение на нагрузке; Uн0 – напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора 20 В этом выпрямителе используются два вентиля, имеющие общую нагрузку и две одинаковые вторичные обмотки трансформатора (или одну со средней точкой). Практически схема представляет собой два однополупериодных выпрямителя, имеющих два разных источника и общую нагрузку. В одном полупериоде переменного напряжения ток в нагрузку проходит с одной половины вторичной обмотки через один вентиль, в другом полупериоде – с другой половины обмотки через другой вентиль. Преимущество: Эта схема выпрямителя имеет в два раза меньше пульсации по сравнению с однополупериодной схемой выпрямления. Ёмкость конденсатора при одинаковом с однополупериодной схемой коэффициенте пульсаций может быть в два раза меньше. Недостатки: Более сложная конструкция трансформатора и нерациональное использование в трансформаторе меди и стали. Схема мостового двухполупериодного выпрямителя Рисунок 5 – Схема мостового двухполупериодного выпрямителя и его характеристики: U2 – напряжение вторичной обмотки трансформатора; Uн – напряжение на нагрузке; Uн0 – напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора Основная особенность данной схемы заключается в использовании одной обмотки трансформатора при выпрямлении обоих полупериодов переменного напряжения. При выпрямлении положительного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: верхний вывод вторичной обмотки – вентиль V2 – верхний вывод нагрузки – нагрузка – нижний вывод нагрузки – вентиль V3 – нижний вывод вторичной обмотки – обмотка. При выпрямлении отрицательного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: нижний вывод вторичной обмотки – вентиль V4 – верхний вывод нагрузки – нагрузка – нижний вывод нагрузки – вентиль V1 – верхний вывод вторичной обмотки – обмотка. 21 Преимущества: По сравнению с однополупериодной схемой мостовая схема имеет в два раза меньший уровень пульсаций, более высокий КПД, более рациональное использование трансформатора и уменьшение его расчётной мощности. По сравнению с двухполупериодной схемой, мостовая имеет более простую конструкцию трансформатора при таком же уровне пульсаций. Обратное напряжение вентилей может быть значительно ниже, чем в первых двух схемах. Недостатки: Увеличение числа вентилей и необходимость шунтирования вентилей для выравнивания обратного напряжения на каждом из них. Инвертирование тока – преобразование постоянного тока в переменный ток. Инвертор применяется в тех случаях, когда источник энергии генерирует постоянный ток (аккумуляторные батареи, фотогенераторы, магнитогидродинамические генераторы и т. д.). В ряде случаев инвертирование тока необходимо при других видах преобразования электрической энергии (преобразование частоты, преобразование числа фаз). При построении устройств и систем электропитания часто возникает задача преобразования постоянного тока в переменный ток. Такие устройства называются инверторами. Они могут быть реализованы с применением транзисторов или тиристоров. Различают инверторы, ведомые сетью, и автономные инверторы. Первые служат для передачи энергии в сеть с переменным током заданной частоты, которая и определяет необходимую частоту преобразования. Вторые служат для питания автономных приёмников, а частота преобразования задаётся системой управления инвертором (различают автономные инверторы тока и напряжения). Мощность автономных инверторов, как правило, меньше мощности инверторов, ведомых сетью. i вх Схемы однотактных инверторов L iн i вх VT1 + C iн + iL VT1 L i VT1 Rн Rн _ _ а) б) Рисунок 6 – Схемы однотактных инверторов: а – последовательного; б – параллельного 22 В схеме на рисунке 7 а в дросселе L запасается энергия во время открытого состояния транзистора VT1 , которая отдаётся в нагрузку при запирании транзистора. При отрицательной полярности управляющего напряжения транзистор VT1 открыт и в предположении малости сопротивления участка коллектор – эмиттер всё напряжение источника питания приложено к нагрузке. При этом ток дросселя, il, будет нарастать по линейному закону. После запирания транзистора VT1 ток дросселя, L , замыкается через нагрузку, создавая отрицательную полуволну напряжения. Этот ток уменьшается по экспоненциальному закону. Для установившегося режима работы инвертора постоянная составляющая напряжения на нагрузке равна нулю, и, соответственно, площади, ограниченные положительными и отрицательными полупериодами, должны быть одинаковыми. При этом пиковое значение отрицательной полуволны превышает напряжение источника питания. Ток, iвх, от источника питания равен сумме токов нагрузки, iн, и дросселя, iL, при открытом транзисторе и нулю – при закрытом. В схеме на рисунке 7 б при закрытом транзисторе VT1 (отрицательная полуволна управляющего напряжения) ток замыкается через дроссель, L , конденсатор, С, и сопротивление нагрузки, Rн. При этом конденсатор заряжается, и через него проходит ток, уменьшающийся по экспоненциальному закону. После отпирания VT1 ток через дроссель, L , увеличивается по линейному закону, создавая в нём запас энергии. Ток в цепи нагрузки обусловлен разрядом конденсатора, C , через открытый транзистор VT1 и имеет противоположное направление. Недостатком схемы инвертора на рисунке 7 а является неравномерная во времени загрузка источника питания (импульсный характер, iвх ). Этот недостаток отсутствует у схемы инвертора, представленного на рисунке 7 б, в котором транзистор и нагрузка включены параллельно. Различные варианты двухтактных инверторов: Схема на рисунке7 а имеет меньшее количество транзисторов, чем мостовая, но имеется удвоенное число витков первичной обмотки у трансформатора со средним выводом. Мостовая схема (рис. 7 б) имеет лучший коэффициент использования мощности трансформатора, и к закрытому транзистору прикладывается вдвое меньшее напряжение. В схеме на рисунке 7 в используются два конденсатора, которые поочерёдно перезаряжаются в циклах коммутации транзисторов и обеспечивают протекание тока по первичной обмотке трансформатора. Схема на рисунке 7 г отличается отсутствием трансформатора и наличием гальванической связи нагрузки с источником питания. 23 + Rн Rн VT1 T VT2 T + VT2 VT1 _ VT3 _ VT4 а) б) + + Rн VT1 VT1 C1 C T C2 Rн VT2 _ в) VT2 г) _ Рисунок 7 – Схемы двухтактных инверторов: а – с дифференциальным трансформатором; б – мостовая; в – полумостовая; г – полумостовая с общей точкой источника питания и нагрузки Стабилизаторы Параметрический стабилизатор напряжения – это устройство, в котором стабилизация выходного напряжения достигается за счёт сильной нелинейности вольтамперной характеристики электронных компонентов, использованных для построения стабилизатора (т. е. за счёт внутренних свойств электронных компонентов, без построения специальной системы регулирования напряжения). Для построения параметрических стабилизаторов напряжения обычно используются стабилитроны, стабисторы и транзисторы. Параметрические стабилизаторы напряжения используют для нагрузок до нескольких десятков миллиампер. Наиболее часто они используются для построения источников опорного напряжения в схемах компенсационных стабилизаторов напряжения. Рассмотрим однокаскадный параметрический стабилизатор напряжения, построенный на основе стабилитрона (схема изображена на рисунке 8). 24 Рисунок 8 – Схема однокаскадного параметрического стабилизатора Работа стабилизатора основана на том свойстве стабилитрона, что на рабочем участке вольтамперной характеристики (от Iст min до Iст max) напряжение на стабилитроне практически не изменяется. Соответственно, в приведённой схеме напряжение на нагрузке практически не меняется, а при изменении входного напряжения изменяется ток через стабилитрон и, как следствие, ток через балластный резистор, на котором и гасятся излишки входного напряжения. Недостатками такого стабилизатора напряжения являются: 1) потеря части напряжения на балластном резисторе, что приводит к снижению КПД стабилизатора; 2) сравнительно небольшой коэффициент стабилизации и значительное выходное сопротивление. Многокаскадный параметрический стабилизатор напряжения представляет собой несколько последовательно соединённых однокаскадных параметрических стабилизаторов. Такой стабилизатор имеет значительно более высокий коэффициент стабилизации, но его недостатком является значительно более низкий КПД. Компенсационные непрерывные стабилизаторы напряжения представляют собой непрерывные автоматические системы регулирования (АСР) напряжения. Как и во всех АСР, в схемах компенсационных непрерывных стабилизаторов напряжения можно выделить следующие элементы: 1) датчик (Д) – в качестве датчика напряжения обычно выступает делитель напряжения, который позволяет использовать часть выходного напряжения схемы в качестве входного сигнала регулятора; 2) задатчик – элемент схемы, с которого регулятор получает задание. В стабилизаторе напряжения он называется источником опорного напряжения (ИОН) и обычно строится на основе стабилитрона; 3) регулятор – это элемент, который сравнивает входной сигнал регулятора с заданием (т. е. часть выходного напряжения схемы с опорным напряже25 нием) и вырабатывает, в зависимости от их соотношения, управляющее воздействие. В стабилизаторах напряжения этот элемент принято называть элементом сравнения и усиления (ЭСУ). В качестве регулятора обычно используется операционный усилитель; 4) регулирующий элемент (РЭ) – это элемент схемы, который, в зависимости от величины управляющего воздействия, изменяет свои рабочие параметры таким образом, чтобы напряжение на выходе стабилизатора оставалось постоянным. В качестве регулирующего элемента обычно используется транзистор. В зависимости от схемы включения регулирующего элемента стабилизаторы напряжения делятся на последовательные (которые также называют сериесными) и параллельные (которые также называют шунтовыми). Последовательные стабилизаторы напряжения (сериесные) – это стабилизаторы, в которых регулирующий элемент включён последовательно с нагрузкой. Рисунок 9 – Схема последовательного компенсационного стабилизатора напряжения (сериесные) Если напряжение на выходе превышает заданное, то ЭСУ вырабатывает управляющее воздействие, которое так воздействует на РЭ, что падение напряжения на нём увеличивается, и, как следствие, уменьшается выходное напряжение. Если напряжение на выходе меньше заданного, то ЭСУ вырабатывает управляющее воздействие, которое так воздействует на РЭ, что падение напряжения на нём уменьшается, и, как следствие, увеличивается выходное напряжение. Параллельные стабилизаторы напряжения (шунтовые) – это стабилизаторы, в которых регулирующий элемент включён параллельно с нагрузкой. Рисунок 10 – Параллельные стабилизаторы напряжения (шунтовые) 26 Если напряжение на выходе превышает заданное, то ЭСУ вырабатывает управляющее воздействие, которое так воздействует на РЭ, что ток через него увеличивается, а следовательно, увеличивается падение напряжения на балластном резисторе и уменьшается выходное напряжение. Если напряжение на выходе меньше заданного, то ЭСУ вырабатывает управляющее воздействие, которое так воздействует на РЭ, что ток через него уменьшается, а следовательно, уменьшается падение напряжения на балластном резисторе и увеличивается выходное напряжение. Следует отметить, что последовательные стабилизаторы напряжения более распространены, чем параллельные. Компенсационные непрерывные стабилизаторы напряжения отличаются относительно невысоким КПД (30-50%) и необходимостью использования специальных радиаторов для охлаждения РЭ, который, постоянно работая в активном режиме, может довольно значительно нагреваться. Контрольная работа Задания на выполнение контрольной работы: • Проработать теоретический материал и описать два вопроса. (Номер первого вопроса выбрать по последним двум цифрам зачётной книжки, а номер второго выбрать по последним двум цифрам произведения номера первой буквы своей фамилии на последнюю цифру своей зачётной книжки.) • Выполнить четыре тренировочных задачи из рабочей программы согласно варианту. (Номер варианта взять по сумме двух последних цифр своей зачётной книжки.) • Выполнить задачи №5 и №6. (Номер варианта взять по сумме двух последних цифр своей зачётной книжки.) Задача №5 Дано напряжение в выпрямителе на вторичной обмотке трансформатора U2, частота сети f = 50 Гц, сопротивление диода в прямом направлении Rпр = 0. Требуется определить средние значения выпрямленного напряжения и тока на нагрузочном резисторе, Rн, среднее значение тока в диоде и максимальное обратное напряжение на диоде. Выбрать тип диода. Представить схему выпрямителя. Исходные данные для расчёта представлены в таблице 14. 27 Таблица 14 – Исходные данные для решения задачи №5 Вариант 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 U2 , В 15 20 15 10 18 19 11 22 15 13 19 12 15 16 18 14 17 14 20 17 19 14 15 17 22 21 11 19 24 15 30 23 17 33 Rн, Ом 200 400 600 70 400 20 500 60 80 90 700 70 50 80 300 90 200 200 100 300 500 70 80 90 60 500 400 70 300 80 250 340 190 280 Схема однополупериодная двухполупериодная мостовая двухполупериодная нулевая однополупериодная двухполупериодная мостовая двухполупериодная нулевая однополупериодная двухполупериодная мостовая двухполупериодная нулевая однополупериодная двухполупериодная мостовая двухполупериодная нулевая однополупериодная двухполупериодная мостовая двухполупериодная нулевая однополупериодная двухполупериодная мостовая двухполупериодная нулевая однополупериодная двухполупериодная мостовая двухполупериодная нулевая однополупериодная двухполупериодная мостовая двухполупериодная нулевая однополупериодная двухполупериодная мостовая двухполупериодная нулевая однополупериодная двухполупериодная мостовая двухполупериодная нулевая однополупериодная двухполупериодная мостовая двухполупериодная нулевая однополупериодная Примечание: В случае двухполупериодной схемы с выводом от нулевой точки принять напряжение, U2, как напряжение каждой части обмотки трансформатора. Пример: В однополупериодном выпрямителе напряжение на вторичной обмотке трансформатора U2 = 20 В, частота сети f = 50 Гц, сопротивление диода в прямом направлении Rпр = 0. Для нагрузочного резистора Rн = 200 Ом опреде28 лить средние значения выпрямленного напряжения и тока на нагрузочном резисторе, среднее значение тока в диоде, максимальное обратное напряжение на диоде. Выбрать тип диода. Решение: Среднее выпрямленное напряжение на нагрузочном резисторе определяется по формуле: 2 ⋅U2 2 ⋅ 20 = = 9 В. π 3,1415 Среднее значение выпрямленного тока и среднее значение тока в диоде: U ср 9 I ср = I ПР = = = 45 мА. RH 200 U ср = Максимальное обратное напряжение на диоде: U обр max = U 2 m = 2U 2 = 2 ⋅ 20 = 28,2 В. Для выбора диода берём 30%-запас по прямому току и обратному напряжению диода, т. е.: I Д ≥ 1,3 ⋅ I ПР = 1,3 ⋅ 0,045 = 58,8 мА, U max ≥ 1,3 ⋅ I обрMZX = 1,3 ⋅ 28,2 = 36,7 мА. Выбираем диод 2Д103А с I ПР max = 0,1 А и U ОБР max = 75 В. Задача №6 Дано: напряжение на нагрузке, сопротивление нагрузки и коридор изменения входного напряжения. Требуется определить в параметрическом стабилизаторе сопротивление резистора, Rб, коэффициент стабилизации, КстU, и максимальный ток стабилитрона, Imax. Рисунок 11 – Схема параметрического стабилизатора 29 Данные для расчёта представлены в таблице 15. Таблица 15 – Исходные данные для решения задачи №6 Вариант 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 U н, В 6,8 8 15 27 9,6 120 6,8 8 15 27 9,6 120 6,8 8 15 27 9,6 120 6,8 8 15 27 9,6 120 6,8 8 15 27 9,6 120 6,8 8 15 27 9,6 Rн, кОм 1 1,6 1,2 7 1,5 1,9 1,7 1,6 1,75 1,8 9 2,1 1,6 1,4 1,3 1,2 0,9 18 1,1 1 2,2 2,5 1,7 2,1 2 1,7 8,5 17,5 2,3 10 3,2 0,9 1,9 4 1,5 Uвхmax, В 15 14 25 35 15 149 15 14 25 35 15 149 15 14 25 35 15 149 15 14 25 35 15 149 15 14 25 35 15 149 15 14 25 35 15 Uвхmin, В 10 10 23 50 19 160 10 10 23 50 19 160 10 10 23 50 19 160 10 10 23 50 19 160 10 10 23 50 19 160 10 10 23 50 19 Пример: В параметрическом стабилизаторе на стабилитроне КС508А определить сопротивление резистора, Rб , коэффициент стабилизации, К стU , и максимальный ток стабилитрона, I max , если U н = 11 В, Rн = 1,5 кОм и U вх изменяется от 17 до 27 В. 30 Решение: Параметры стабилитрона КС508А: Определяем сопротивление балансного резистора: . Коэффициент стабилизации: , где Максимальный ток стабилизатора: Следовательно, стабилитрон КС508А по максимальному току не перегружается, так как . Таблица 16 – Параметры некоторых отечественных стабилитронов Тип стабилитрона КС406А КС508А Д815Е 2С527А КС168А КС196А КС620А Uст, В 8 11 15 27 6,8 9,6 120 Rдиф, Ом 6,5 11,5 3,8 80 20 18 150 31 Iстmax, мА 0,5 0,25 25 1 3 3 5 Iстmin, мА 35 23 550 30 45 20 42 ПРИЛОЖЕНИЕ 1 КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБОЗНАЧЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ Для унификации обозначений и стандартизации параметров полупроводниковых приборов используется система условных обозначений. Эта система классифицирует полупроводниковые приборы по их назначению, основным физическим и электрическим параметрам, конструктивно-технологическим свойствам, виду полупроводниковых материалов. Система условных обозначений отечественных полупроводниковых приборов базируется на государственных и отраслевых стандартах. Первый ГОСТ на систему обозначений полупроводниковых приборов – ГОСТ 10862–64 – был введён в 1964 году. Затем по мере возникновения новых классификационных групп приборов был изменён на ГОСТ 10862–72, а затем на отраслевой стандарт ОСТ 11.336.038–77 и ОСТ 11.336.919–81. При этой модификации основные элементы буквенноцифрового кода системы условных обозначений сохранились. Данная система обозначений логически выстроена и позволяет дополнять себя по мере дальнейшего развития элементной базы. Основные термины, определения и буквенные обозначения основных и справочных параметров полупроводниковых приборов приведены в ГОСТах: 25529–82 – Диоды полупроводниковые. Термины, определения и буквенные обозначения параметров; 19095–73 – Транзисторы полевые. Термины, определения и буквенные обозначения параметров; 20003–74 – Транзисторы биполярные. Термины, определения и буквенные обозначения параметров; 20332–84 – Тиристоры. Термины, определения и буквенные обозначения параметров. 1. Условные обозначения и классификация отечественных полупроводниковых приборов Система обозначений полупроводниковых приборов по ОСТ 11.336.919–81 «Приборы полупроводниковые. Система условных обозначений», которая состоит из 6 (или 7) элементов. В основу системы обозначения положен буквенно-цифровой код. 32 Первый элемент Первый элемент (буква или цифра) обозначает исходный полупроводниковый материал, на базе которого создан полупроводниковый прибор. Для приборов общегражданского применения используются буквы Г, К, А и И, являющиеся начальными буквами в названии полупроводникового материала. Для приборов специального применения (более высокие требования при испытаниях, например выше температура) вместо этих букв используются цифры от 1 до 4. В таблице П.1 приведены обозначения для первого элемента. Таблица П.1 Исходный материал Германий Кремний Соединения галлия (например арсенид галлия) Соединения индия (например форсид индия) Условные обозначения Г или 1 К или 2 А или 3 И или 4 Второй элемент Второй элемент – буква, обозначает подкласс полупроводниковых приборов. Обычно буква выбирается из названия прибора как первая буква названия (табл. П.2). Таблица П.2 Подкласс приборов Условные обозначения Диоды выпрямительные, универсальные, Д импульсные Транзисторы биполярные Т Транзисторы полевые П Варикапы В Тиристоры диодные Н Тиристоры триодные У Туннельные диоды И Стабилитроны С Сверхвысокочастотные диоды А Излучающие оптоэлектронные приборы Л Оптопары О 33 Третий элемент Третий элемент – цифра, в обозначении полупроводниковых приборов определяет основные функциональные возможности прибора. У различных подклассов приборов наиболее характерные эксплуатационные параметры различные. Например для транзисторов – это рабочая частота и рассеиваемая мощность, для выпрямительных диодов – максимальное значение прямого тока, для стабилитронов – напряжение стабилизации и рассеиваемая мощность, для тиристоров – значение тока в открытом состоянии. В таблице П.3 приведены значения цифр в третьем элементе условных обозначений для различного класса полупроводниковых приборов. Таблица П.3 Назначение прибора Условные обозначения Диоды выпрямительные с прямым током, А : менее 0,3 1 0,3…10 2 Диоды прочие (магнитодиоды, термодиоды и др.) 3 Диоды импульсные со временем восстановления, нс : более 500 4 150…500 5 30…150 6 5…30 7 1…5 8 с эффективным временем жизни неосновных 9 носителей заряда менее 1 нс Триодные тиристоры с максимально допустимым средним током в открытом состоянии (или импусным), А незапираемые: менее 0,3 (менее 15) 1 0,3…10 (15…100) 2 более 10 (более 100) 7 запираемые: менее 0,3 (менее 15) 0,3…10 (15…100) более 10 (более 100) 34 Продолжение таблицы П.3 Условные обозначения Назначение прибора симметричные: менее 0,3 (менее 15) 5 0,3…10 (15…100) 6 более 10 (более 100) 9 Диоды туннельные и обращённые: усилительные 1 генераторные 2 переключательные 3 обращенные 4 Варикапы: подстрочные 1 умножительные (варакторы) 2 Стабилитроны, стабисторы и ограничители, с напряжением стабилизации, В: мощностью менее 0,3 Вт: менее 10 1 10…100 2 более 100 3 мощностью менее 0,3…5 Вт: менее 10 4 10…100 5 более 100 6 мощностью менее 5…10 Вт: менее 10 7 10…100 8 более 100 9 Транзисторы биполярные: маломощные с рассеиваемой мощностью не более 0,3 Вт: 1 низкой частоты (граничная частота Fгр < 3,0 МГц) средней частоты (граничная частота Fгр = 3...30 МГц) 2 высокой и сверхвысокой частот (более 30 МГц) средней мощности (0,3…1,5) Вт: 3 35 Продолжение таблицы П.3 Условные обозначения 4 Назначение прибора низкой частоты (граничная частота Fгр < 3,0 МГц) средней частоты (граничная частота Fгр = 3...30 МГц) 5 высокой и сверхвысокой частот (более 30 МГц) большой мощности (более >1,5 Вт): низкой частоты (граничная частота Fгр < 3,0 МГц) 6 7 средней частоты (граничная частота Fгр = 3...30 МГц) 8 высокой и сверхвысокой частот (более 30 МГц) Транзисторы полевые: малой мощности не более 0,3 Вт: низкой частоты (граничная частота Fгр < 30 МГц) 9 1 средней частоты (граничная частота Fгр = 3...30 МГц) 2 высокой и сверхвысокой частот (более 30 МГц) средней мощности (0,3…1,5) Вт: низкой частоты (граничная частота Fгр < 30 МГц) 3 4 средней частоты (граничная частота Fгр = 3...30 МГц) 5 высокой и сверхвысокой частот (более 30 МГц) большой мощности (более >1,5 Вт): низкой частоты (граничная частота Fгр < 3,0 МГц) 6 7 средней частоты (граничная частота Fгр = 3...30 МГц) 8 высокой и сверхвысокой частот (более 30 МГц) 9 36 Окончание таблицы П.3 Условные обозначения Назначение прибора Источники инфракрасного излучения: излучающие диоды излучающие модули Приборы визуального представления информации: светоизлучающие диоды знаковые индикаторы знаковое табло шкалы экраны Оптопары: резисторные диодные тиристорные транзисторные 1 2 3 4 5 6 7 Р Д У Т Четвёртый и пятый (или шестой) элементы Четвёртый и пятый элементы – две либо три цифры, означает порядковый номер технологической разработки и изменяется от 01 до 999. Шестой или седьмой элементы Шестой (или седьмой) элемент – буква, в буквенно-цифровом коде системы условных обозначений указывает разбраковку по отдельным параметрам приборов, изготовленных в единой технологии. Для обозначения используются заглавные буквы русского алфавита от А до Я, кроме З, О, Ч, Ы, Ш, Щ, Я, схожих по написанию с цифрами. Примеры обозначения полупроводниковых приборов: 2Д204В – кремниевый выпрямительный диод с постоянным и средним значением тока 0,3…10 А, номер разработки 04, группа В. КС620А – кремниевый стабилитрон мощностью 0,5…5 Вт, с номинальным напряжением стабилизации более 100 В, номер разработки 20, группа А. КТ937А – кремниевый биполярный транзистор большой мощности, высокочастотной (с граничной частотой более 30 МГц), номер разработки 37, группа А. КП310А – кремниевый полевой транзистор малой мощности, с граничной частотой более 30 МГц, номер разработки 10, группа А. 37 2. Условные обозначения и классификация зарубежных полупроводниковых приборов За рубежом существует множество разнообразных систем обозначений полупроводниковых приборов. Наиболее распространены три системы: JEDEC, Pro Electron, JIS. Система JEDEC принята в США и поддерживается ассоциацией предприятий электронной промышленности (Electronic Industries Alliance (EIA)). В системе JEDEC полупроводниковые приборы обозначаются следующим образом: [суффикс]. Первая цифра – цифра, показывающая количество электрических выпрямляющих переходов в полупроводниковом приборе (1 для диодов). Буква – всегда буква N. Серийный номер – двух-, трёх-, четырёхзначное число, отражающее порядковый номер регистрации полупроводникового прибора в EIA. Никакой дополнительной информации, за исключением, возможно, времени регистрации, этот номер не несёт. Суффикс – отражает разбивку приборов одного типа на различные типономиналы по характерным параметрам. Он может состоять из одной или нескольких букв. В системе JEDEC предусмотрена также цветовая маркировка полупроводниковых диодов. Такая маркировка осуществляется цветными полосками различной толщины, наносимыми по окружности цилиндрического корпуса диода. В системе JEDEC цветовой маркировкой (по стандарту EIA-236-C) кодируются цифры серийного номера прибора (двух-, трёх- или четырёхзначное число). Первая цифра и буква N опускаются. Цветовое обозначение различных цифр соответствует таблице П.4. Кодирование осуществляется от катода по следующим правилам: 1. Номера, состоящие из двух цифр, обозначаются одной (первой) чёрной полосой и двумя (второй и третьей) соответствующими цифрам цветными полосами. Если в обозначении имеется буквенный суффикс, то кодирование осуществляется четвёртой полосой в соответствии с таблицей П.4. 2. Номера из трёх цифр обозначаются тремя цветными полосами, соответствующими цифрам. Если в обозначении имеется буквенный суффикс, то кодирование осуществляется четвёртой полосой в соответствии с таблицей П.4. 38 Таблица П.4 – Цветовая маркировка по системе JEDEC Цвет Цифра Чёрный 0 Коричневый 1 A Красный 2 B Оранжевый 3 C Жёлтый 4 D Зелёный 5 E Синий (голубой) 6 F Фиолетовый 7 G Серый 8 H Белый 9 J Буква 3. Номера, состоящие из четырёх цифр, обозначаются четырьмя цветными полосами и пятой чёрной полосой. Если в обозначении имеется буквенный суффикс, то кодирование осуществляется пятой полосой (вместо чёрной) в соответствии с таблицей П.4. 4. Если цвет корпуса совпадает с цветом какой-либо полосы (кроме последней), то данная полоса может не наноситься, а вместо неё оставляют свободное место соответствующей ширины. 5. Начало маркировки отстоит от края прибора на меньшее расстояние, чем конец (последняя полоса) маркировки. Если такое расположение невозможно из-за малого корпуса прибора, то первая полоса маркировки делается двойной ширины. Возможно также, что маркировка вообще не помещается целиком на приборе, в этом случае допускается использование одной полоски любого цвета для отметки вывода катода. На рисунке П.1 приведён пример цветовой маркировки диода по системе JEDEC. Рисунок П.1 – Пример цветовой маркировки по системе JEDEC Система Pro Electron распространена в Европе и поддерживается Европейской ассоциацией производителей электронных компонентов (European Electronic Component Manufactures Association). 39 Полупроводниковые приборы в системе Pro Electron обозначаются маркировкой, состоящей из четырёх элементов. Первый элемент – буква, соответствующая типу полупроводникового материала, из которого он изготовлен: А – германий; В – кремний; С – арсенид галлия; R – другие полупроводниковые материалы. Второй элемент – буква, соответствующая типу полупроводникового прибора: А – маломощные импульсные и универсальные диоды; В – варикапы; C – маломощные низкочастотные транзисторы; D – мощные низкочастотные транзисторы; E – туннельные диоды; F – маломощные высокочастотные транзисторы; G – приборы специального назначения (например генераторные), а также сложные приборы, содержащие в одном корпусе несколько различных компонентов; H – магниточувствительные диоды; K – приборы на основе эффекта Холла; L – мощные высокочастотные транзисторы; M – модуляторы и умножители на основе эффекта Холла; N – оптроны; P – светочувствительные приборы (фотодиоды, фототранзисторы и т. п.); Q – светоизлучающие приборы (светодиоды, ИК-диоды и т. п.); R – маломощные переключательные приборы (тиристоры и т. п.); S – маломощные переключательные транзисторы; T – мощные переключательные приборы; U – мощные переключательные транзисторы; X – умножительные диоды (варакторы и т. п.); Y – выпрямительные диоды, бустеры; Z – стабилитроны, стабисторы, ограничители. Третий элемент – буква, которая ставится только для приборов, предназначенных для применения в аппаратуре специального назначения (профессиональной, военной и т. п.). Это обычно буквы Z, Y, X и W. Четвёртый, пятый или шестой элементы – двух-, трёх- или четырёхзначный серийный номер полупроводникового прибора. 40 В системе Pro Electron также могут присутствовать дополнительные элементы. Например, как и в системе JEDEC, суффикс, отражающий разбивку приборов одного типа на различные типы номиналов по характерным параметрам. Для некоторых типов полупроводниковых приборов (стабилитроны, мощные тиристоры и др.) может применяться дополнительная классификация. В этом случае к основному обозначению через дефис или дробь добавляется дополнительный код. К примеру, для стабилитронов часто используется дополнительный код, содержащий сведения о напряжении стабилизации и его разбросе (А – 1%, В – 2%, С – 5%, D – 10%, E – 15%). Если напряжение стабилизации не целое число, то вместо запятой ставится буква V. Для выпрямительных диодов в дополнительном коде указывается максимальная амплитуда обратного напряжения. Например, BZY85-C6V8 – кремниевый стабилитрон специального назначения с регистрационным номером 85, напряжением стабилизации 6,8 В с максимальным отклонением этого напряжения от номинального значения на ±5%. В системе Pro Electron, как и в системе JEDEC, также предусмотрена цветовая маркировка полупроводниковых приборов. Она начинается с двух широких полос. Первой широкой полосе соответствуют первые две буквы обозначения (табл. П.5). Причём, что цветовая марка по системе Pro Electron предусмотрена только для маломощных кремниевых и германиевых диодов. Вторая широкая полоса соответствует третьей букве обозначения прибора (если такая буква в обозначении присутствует). Таблица П.5 – Цветная маркировка букв по системе Pro Electron Цвет Первая широкая полоса Чёрный Красный Вторая широкая полоса Белый Серый Чёрный Синий Зелёный Жёлтый Оранжевый AA BA Z Y X W V T S 41 Затем идут тонкие полосы, кодирующие серийный номер прибора, при этом цветовое кодирование цифрового кода такое же, как и в системе JEDEC (см. табл. П.4). Пример цветовой маркировки Pro Electron приведён на рисунке П.2. Рисунок П.2 – Примет цветовой маркировки по системе Pro Electron Система JIS. Система стандартных обозначений, разработанная в Японии (стандарт JIS-C-7012, принятый ассоциацией EIAJ – Electronic Industries Association of Japan), позволяет определить класс полупроводникового прибора (диод или транзистор), его назначение, тип проводимости полупроводника. Вид полупроводникового материала в японской системе не отражается. Условное обозначение полупроводниковых приборов по стандарту JIS-C-7012 состоит из пяти элементов. Первый элемент Первый элемент – цифра, обозначает тип полупроводникового прибора. Используются 3 цифры (0, 1, 2 и 3) в соответствии с типом прибора. В таблице П.6 приведены обозначения для первого элемента. Таблица П.6 – Первый элемент в системе JIS-C-7012 Класс приборов Условные обозначения Фотодиоды, фототранзисторы 0 Диоды 1 Транзисторы 2 Четырёхслойные приборы 3 Второй элемент Второй элемент обозначается буквой S и указывает на то, что данный прибор является полупроводниковым. Буква S используется как начальная буква от слова Semiconductor. Третий элемент Третий элемент – буква, обозначает подкласс полупроводниковых приборов. В таблице П.7 приведены буквы, используемые для обозначения подклассов. 42 Таблица П.7 – Третий элемент в системе JIS-C-7012 Подкласс приборов Условные обозначения Транзисторы p-n-p высокочастотные A Транзисторы p-n-p низкочастотные B Транзисторы n-p-n высокочастотные C Транзисторы n-p-n низкочастотные D Диоды E Тиристоры F Диоды Ганна G Однопереходные транзисторы H Полевые транзисторы с p-каналом I Полевые транзисторы с n-каналом K Симметричные тиристоры M Светоизлучающие диоды Q Выпрямительные диоды R Малосигнальные диоды S Лавинные диоды T Диоды с переменной ёмкостью, p-i-n-диоды V Стабилитроны Z Четвёртый элемент Четвёртый элемент обозначает регистрационный номер технологической разработки и начинается с числа 11. Пятый элемент Пятый элемент отражает модификацию разработки (А и В – первая и вторая модификация). 3. Условные графические обозначения полупроводниковых приборов В технической документации и специальной литературе применяются условные графические обозначения полупроводниковых приборов в соответствии с ГОСТ 2.730–73 «Обозначения условные, графические в схемах. Приборы полупроводниковые». В таблице П.8 приведены графические обозначения основных полупроводниковых приборов. 43 Таблица П.8 – Графические обозначения полупроводниковых приборов Наименование прибора Обозначение Диод выпрямительный Диод Шоттки Стабилитрон Стабилитрон двуханодный Диод туннельный Обращённый диод Варикап Биполярный транзистор p-n-p-типа Биполярный транзистор n-p-n-типа 44 Продолжение таблицы П.8 Обозначение Наименование прибора Полевой транзистор с управляющим переходом с каналом n-типа Полевой транзистор с управляющим переходом с каналом р-типа Полевой транзистор с изолированным затвором с индуцированным каналом n-типа Полевой транзистор с изолированным затвором с индуцированным каналом р-типа Полевой транзистор с изолированным затвором со встроенным каналом n-типа Полевой транзистор с изолированным затвором со встроенным каналом n-типа 45 Продолжение таблицы П.8 Обозначение Наименование прибора Диодный тиристор Диодный симметричный тиристор Триодный тиристор, запираемый в обратном направлении с управлением по аноду Триодный тиристор, запираемый в обратном направлении с управлением по катоду Триодный симметричный тиристор Триодный тиристор, запираемый в обратном направлении, выключаемый с управлением по аноду Триодный тиристор, запираемый в обратном направлении, выключаемый с управлением по катоду 46 Продолжение таблицы П.8 Обозначение Наименование прибора Излучающий диод Фоторезистор Фотодиод Фототранзистор p-n-p-типа Фототиристор Оптрон диодный Оптрон тиристорный 47 Продолжение таблицы П.8 Обозначение Наименование прибора Оптрон резисторный Оптрон транзисторный 4. Условные буквенные обозначения полупроводниковых приборов в электрических схемах Элементы, входящие в состав изделия, на электрической принципиальной схеме должны иметь буквенно-цифровые обозначения. Типы условных буквенно-цифровых обозначений и правила их построения устанавливает ГОСТ 2.710–81. Позиционное обозначение элемента в общем случае состоит из трёх частей, указывающих вид, номер и функцию элемента, и записывается без разделительных знаков и пробелов. Вид и номер являются обязательной частью условного буквенно-цифрового обозначения и присваивается всем элементам схемы. Буквенные коды некоторых полупроводниковых элементов приведены в таблице П.9. Таблица П.9 – Буквенные коды полупроводниковых приборов Первая буква кода Полупроводниковый Двухбуквенный код (обязательная) прибор B Фотоэлемент BL Схема интегральная DA аналоговая. D Схема интегральная DD цифровая Диод, стабилитрон VD Транзистор V VT Тиристор VS 48 ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Стандартные условные графические и буквенные обозначения некоторых элементов электрических схем Е Источник ЭДС R Резистор, активное сопротивление L Индуктивность, катушка С Ёмкость, конденсатор А* Амперметр V* Вольтметр VD Выпрямительный диод V Стабилитрон ___________________________________________________________ * – обозначения внутри круга 49 ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Требования к выполнению и оформлению контрольной работы Шрифт: 14 пт, TimesNewRoman, межстрочный интервал: 1,5 строки, поля: 2 см со всех сторон, абзац: отступ 1,25 см. Все рисунки подписываются по центру по форме: Рисунок Х – Название рисунка Все таблицы подписываются по левому краю по форме: Таблица Х – Название таблицы Требования к содержанию контрольной работы 1 лист – Титульный лист (образец представлен ниже); 2 и последующие листы согласно последовательности выполнения контрольной работы. Теоретическая часть (ответ на теоретический вопрос) Объём, строго говоря, не регламентирован. В качестве источников информации для теоретической части можно использовать любые источники, например такие, как лекции по дисциплине, печатные и электронные учебники, сеть Интернет. 50 ОБРАЗЕЦ ТИТУЛЬНОГО ЛИСТА МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ухтинский государственный технический университет» (УГТУ) Кафедра электрификации и автоматизации технологических процессов КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА ПО ДИСЦИПЛИНЕ «СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА» Выполнил(а): студент(ка) гр. ГР-1Х (дата) (подпись) И. О. Фамилия (дата) (подпись) И. О. Фамилия Проверил (а) Ухта 201Х 51
