ОП 02 Электротехника и электроника Часть 2

Citation preview

Федеральное агентство железнодорожного транспорта Управление учебных заведений и правового обеспечения Федеральное государственное бюджетное учреждение дополнительного профессионального образования «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте» Филиал ФГБУ ДПО «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте» в г. Челябинске

ОП 02 Электротехника и электроника МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ ОРГАНИЗАЦИЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ для обучающихся заочной формы обучения образовательных организаций среднего профессионального образования Часть 2

специальность 23.02.01 Организация перевозок и управление на транспорте (по видам) (для железнодорожного транспорта)

базовая подготовка среднего профессионального образования

2021

Методическое пособие рассмотрено и одобрено на заседании Учебно-методической комиссии по специальности 23.02.01 Организация пере возок и управление на транспорте (по видам) (для железнодорожного транспорта) федерального учебно-методического объединения в системе среднего профессионального образования по укрупненным группам профессий, специальностей нос тей 23 23..00 00..00 Техника и технологии наземного транспорта. Председатель УМК С. А. Воронина Протокол № 6 от 14 ноября 2019 г.

Автор – О. А. Кирпич, преподаватель филиала ФГБОУ ВО «Самарский государственный университет путей сообщения» в г. Ижевске Эксперт – А. А . А лексеев лексеев,, пре преп подава даватель тель СанктСанкт-Петерб Петербург ург-ского ског о тех ехни никку ма желе железнодор знодорож ожного ного т ра ранспор нспортта – стр структур уктурно ного го подра по дразделени зделения я ФГБО ГБОУ У ВО «П «Пе етер терб бургск ргски ий госу государст дарственн венны ый у ни нивер верси ситт ет п у тей со соо общен бщени и я Им пера ператтор ора а А лекса лексан н др дра а I»

Предложения и замечания по методическому пособию просим направлять в филиал ФГБУ ДПО «УМЦ ЖДТ» в г. Челябинске по адресу: 454005, г. Челябинск, ул. Цвиллинга, д.63; тел.: (351) 220 220--47 47--66; факс: (351)2684766; e-mail: [email protected]

© Кирпич О. А., 2021 © ФГБУ ДПО «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2021

ВВЕДЕНИЕ Методическое пособие разработано в соответствии с ФГОС СПО и примерной программой учебной дисциплины ОП 02 Электротехника и электроника для специальности 23.02.01 23. 02.01 Организация перевозок и управление на транспорте (по видам) (для железнодорожного транспорта) и предназна чено обучающимся заочной формы обучения для оказания помощи в организации их самостоятельной работы при освоении учебного материала дисциплины и подготовке к промежуточной аттестации. Данная разработка носит рекомендатель ный характер и может быть использована в учебном процессе на усмотрение образовательной организации. Внеаудиторная самостоятельная работа (ВСР) по заочной форме обучения составляет значительную часть учебного процесса и является видом активной учебной деятельности, осуществляемой в режиме самоконтроля без непосредственного участия преподавателя или отдаленного по времени контроля преподавателя за рамками аудиторной работы. Целью самостоятельной работы является усвоение обуча ющимися нового материала, углубление и закрепление ранее приобретенных знаний и умений, формирование самостоя тельности мышления, способностей к саморазвитию, самосовершенствованию и самореализации, а также развитие общих и профессиональных компетенций. В результате освоения дисциплины ОП 02 Электротехника и электроника обучающийся должен: уметь: – производить расчет параметров электрических цепей; собир бирать ать электрические схемы и проверять их работу; – со – читать и составлять простейшие схемы с использованием полупроводниковых приборов; – определять тип микросхем по маркировке; знать: – методы преобразования электрической энергии, сущность физических процессов, происходящих в электрических и магнитных цепях, порядок расчета их параметров; – преобразование переменного тока в постоянный; – усиление и генерирование электрических сигналов. 3

В соответствии с требованиями ФГОС СПО внеаудитор ная самостоятельная работа по данной дисциплине направлена на формирование у обучающихся профессиональных и общих компетенций, включающих в себя способность: ОК 1. Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес; ОК 2. Организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество; ОК 3. Принимать решения в стандартных и нестандартных ситуациях и нести за них ответственность; ОК 4. Осуществлять поиск и использование информации, необходимой для эффективного выполнения профессиональных задач, профессионального и личностного развития; ОК 5. Использовать информационно-коммуникационные технологии в профессиональной деятельности; ОК 6. Работать в коллективе и команде, эффективно общаться с коллегами, руководством, потребителями; ОК 7. Брать на себя ответственность за работу членов команды (подчиненных), результат выполнения заданий; ОК 8. Самостоятельно определять задачи профессиональ ного ног о и личностного развития, заниматься самообразованием, осознано планировать повышение квалификации; ОК 9. Ориентироваться в условиях частой смены технологий в профессиональной деятельности; ПК 1.1. Выполнять операции по осуществлению перевозочного процесса с применением современных информационных технологий управления перевозками; ПК 1.2. Организовывать работу персонала по обеспечению безопасности бе зопасности перевозок и выбору оптимальных решений при работах в условиях нестандартных и аварийных ситуаций; ПК 2. 2.2. 2. Обеспечивать безопасность движения и решать профессиональные пр офессиональные задачи посредством применения норма тивно-правовых ти вно-правовых документов; ПК 2. 2.3. 3. Организовывать работу персонала по техническому обслуживанию об служиванию перевозочного процесса. Самостоятельная работа студентов заочной формы обучения является обязательной для каждого обучающегося и определя-

4

етс я уч ется учебным ебным планом. В соответствии с примерной программой дисциплины ди сциплины ОП 02 Электротехника и электроника максимальная учебная нагрузка составляет 120 часов; рекомендованный объем часов обязательной аудиторной учебной нагрузки для обучающихся заочной формы обучения составляет 20 часов; самостоятельной работы – 100 часов. При организации внеаудиторной самостоятельной работы обучающихся, согласно компетентностному подходу к реализации профессиональных образовательных программ, видами заданий для внеаудиторной самостоятельной работы являются: – для овладения знаниями: чтение и проработка текста (первоисточника, учебной и дополнительной литературы), графическое изображение структуры текста, конспектирование текста, ознакомление с нормативными документами, использова ние Интернета и иных источников, учебно-исследовательская работа; – для закрепления и систематизации знаний: обработка текста, создание плана, таблиц для систематизации учебного материала, ответы на вопросы для самоконтроля, и др.; – для формирования умений: решение индивидуальных заданий (задач) и упражнений по образцу, решение вариативных задач, выполнение расчетов, чертежей, схем, проектирование и моделирование разных видов и компонентов профессиональной деятельности, опытно-экспериментальная работа и др. Для организации самостоятельной работы обучающихся заочной формы обучения в методическом пособии предлагается применить следующие формы ВСР: – изучение теоретического материала дисциплины по заданным источникам, составление опорного конспекта; – составление глоссария по заданной теме; – ответы на контрольные вопросы; – составление таблиц; – решение задач; – моделирование электрических схем. Содержание внеаудиторной самостоятельной работы определяется в соответствии с рекомендуемыми видами заданий, разработанными преподавателем с учетом примерной и рабочей программ учебной дисциплины.

5

Преподаватель во время аудиторных занятий при выдаче обучающимся задания для самостоятельной работы сообщает цель задания, проводит краткий инструктаж по выполнению разных видов заданий, указывает ориентировочный объем работы и основные требования к результатам работы. Настоящее методическое пособие состоит из двух частей. Во второй части пособия даны методические рекомендации по организации самостоятельной работы для Раздела 2 «Электроника» примерной программы дисциплины. В каждой теме приведены задания для ВСР, а также краткий теоретический материал и рекомендуемые источники информации. Для облегчения чен ия самостоятельного освоения практических умений обучающихся в пособии приведены примеры решения практических задач. План распределения часов на самостоятельную работу представлен в таблице 1.

7

–

Электрическое поле и его основные характеристики. Конденсаторы. Соединение конденсаторов. Организация работы персонала по обеспечению безопасности перевозок на железнодорожном транспорте при работе с электротехническими приборами Электрическая цепь. Основные элементы электрической цепи. Физические основы работы источника ЭДС. Электрический ток: направление, сила, плотность. Сопротивление и проводимость проводников. Закон Ома для участка и полной цепи. Свойства цепи при последовательном, параллельном и смешанном соединении резисторов. Работа и мощность электрического тока. Режимы работы электрической цепи. Коэффициент полезного действия (КПД) КПД)..

Тема 1.1. Электри ческое поле

Тема 1.2. Электри ческие цепи по стоянного тока

2

8

–

3

Раздел 1. Электротехника

Цели и задачи дисциплины «Электротехника и электроника»; связь с другими дисциплинами

2

1 Введение

Тема занятия

Тема по примерной программе теории

Число часов

2

–

4

–

4

Составление опорного конспекта

Ответы на контрольные вопросы

6

10 1. Составление опорного конспекта. 2. Составление глоссария. 3. Решение задач

5

65

1

5

Таблица 1

Вид самостоятельной работы

ПЛАН РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСОВ НА САМОСТОЯТЕЛЬНУЮ РАБОТУ

практич. работы самостоят. работы

8 Закон Джоуля-Ленца. Падение напряжения в линиях электропередачи. Расчет простых цепей. Понятие о расчете сложной цепи по уравнениям Кирхгофа. Электрические цепи постоянного тока в аппаратах и приборах оборудования железнодорожного транспорта

2

Тема 1.3. Электро - Свойства и характеристики магнитного поля. Магмагнетизм нитные свойства материалов. Магнитные цепи. Электромагнитная индукция. Взаимные преобразования механической и электрической энергии в подвижном составе железнодорожного транспорта Тема 1.4. Электри - Основные понятия о переменном токе. Процессы, ческие цепи пере- происходящие в цепях переменного тока: с активменного тока ным сопротивлением, индуктивностью и емкостью. Использование закона Ома и правила Кирхгофа для расчета. Условия возникновения и особенности резонанса напряжения и токов. Активная, реактивная и полная мощности в цепи переменного тока. Коэффициент мощности. Неразветвленные и разветвленные цепи переменного тока; векторные диаграммы Тема 1.5. Трехфаз - Область применения трехфазной системы. Полученые цепи ние ЭДС в трехфазной системе. Соединение обмоток трехфазного генератора и приемников энергии «звездой» и «треугольником». Мощность трехфазной цепи. Основы расчета трехфазной цепи. Векторные диаграммы. Трехфазные цепи в аппаратах и приборах оборудования железнодорожного транспорта

1

–

2

–

2

2

4

–

3

9

9

6

5

1. Ответы на кон трольные вопросы. 2. Решение задач

1. Ответы на кон трольные вопросы. 2. Решение задач

1. Ответы на кон трольные вопросы. 2. Решение задач

6

Продолжение табл. 1

9

–

–

Устройство и принцип действия машин постоянного тока, генераторов, двигателей. Основные понятия и характеристики машин постоянного тока

Тема 1.9. Электри ческие машины постоянного тока Тема 1.10. Основы Понятие об электроприводе. Нагревание и охлажэлектропривода дение электродвигателей, их режим работы. Выбор мощности. Релейно-контактное управление электродвигателем Тема 1.11. Переда ча и распределение электрической энергии Раздел 2. Электроника

Назначение, классификация и устройство электрических сетей, выбор проводов по допустимой потере напряжения и по допустимому нагреву. Способы учета и экономии электроэнергии. Защитное заземление

1

Устройство, принцип действия трехфазного асинхронного двигателя. Основные параметры и характеристики. Методы регулирования частоты вращения двигателя. Синхронный генератор

Тема 1.8. Электри ческие машины переменного тока

6

1

–

Общие сведения об электроизмерительных приборах. Классификация. Измерения тока, напряжения, мощности в цепях постоянного и переменного тока низкой частоты. Понятие об измерении энергии в цепях переменного тока

Тема 1.7. Электри ческие измерения

3 –

2

Тема 1.6. Транс - Принцип действия и устройство однофазного форматоры трансформатора. Режимы работы. Типы трансформаторов

1

2

–

–

–

–

–

–

4

34

4

4

4

4

4

6

5

1. Составление опорного конспекта. 2. Составление та блицы

Составление опорного конспекта

1. Составление опорного конспекта. 2. Составление та блицы

Составление опорного конспекта

Составление таблицы

1. Составление опорного конспекта. 2. Решение задач

6

Продолжение табл. 1

Всего

Итого

Тема 2.6. Электрон Электрон-ные генераторы Тема 2.7. Микро процессоры и микро-ЭВМ

Автогенераторы. Условия самовозбуждения генераторов Назначение, функции микропроцессоров. Архитектура микропроцессоров. Организация работы персонала по работе с микро-ЭВМ на основе микропроцессора на железнодорожном транспорте

120

6

–

–

14

–

–

–

2

–

–

–

Общая характеристика и классификация индикаторных приборов. Осциллографы

–

4 2

2

–

Назначение, конструкция, применение интегральных микросхем

Тема 2.2. Инте гральные схемы микроэлектроники Тема 2.3. Приборы и устройства индикации Тема 2.4. Выпря мители и стабилизаторы Принципы построения выпрямителей. Схемы и работа выпрямителей. Сглаживающие фильтры. Принципы стабилизации. Устройство и работа стабилизаторов тока и напряжения Тема 2.5. Элек - Основные понятия и характеристики усилительтронные усилители ного каскада. Обратные связи. Усилители низкой частоты, постоянного тока. Импульсные и избирательные усилители

3 2

1 2 Тема 2.1. Полу - Физические основы работы полупроводниковых проводниковые приборов. Виды приборов и их характеристики, приборы маркировка. Полупроводниковые приборы, применяемые на железнодорожном транспорте

100

4

4

7

6

4

3

5 6

1. О тветы на кон трольные вопросы. 2. Моделирование электрических схем 1. Составление опорного конспекта. 2. Составление та блицы. 3. Решение задач Составление опорного конспекта Составление опорного конспекта

Составление таблиц

Ответы на кон трольные вопросы

Окончание табл. 1 6 1. О тветы на кон трольные вопросы. 2. Составление та блицы

МЕТОДИКА ОРГАНИЗАЦИИ ВНЕАУДИТОРНОЙ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ Составление опорного конспекта Цель данного вида ВСР: изучить материал заданной темы, структурировать знания теоретического материала; развить навык самостоятельной обработки, обобщения и систематизированного изложения информации.

Методика выполнения задания Опорный конспект – это обобщенная и предельно сжатая информация по теме, он может содержать рисунки, чертежи, формулы, таблицы и схемы. Записи производятся в структурированном виде: изложение материала должно быть по пунктам в форме простого или сложного плана, при этом каждый блок должен выражать законченную мысль. В тексте конспекта необходима расстановка акцентов, т. е. ключевые слова, понятия должны быть выделены с помощью рамок, шрифтов, различных цветов и графических приемов. Цитируемый материал должен содержать ссылки на источники (учебник, справочники, другие виды учебной литературы, электронные образовательные ресурсы).

Последовательность выполнения задания: 1. Запишите название темы по дисциплине. Ознакомьтесь с необходимым материалом по тексту учебника, пособия, справочника и т. д. 2. Выделите в изучаемом материале главное, составьте краткий план. 3. Выберите ключевые слова или понятия, отражающие суть изучаемой темы. В зависимости от цели составления опорного конспекта, изложение исходного текста может быть самым различным по форме, например, в виде простого текста, схем, таблиц и формул. 4. Используйте прием сокращения слов для экономии времени при составлении опорного конспекта. Также можно использовать графические обозначения или математические знаки, отражающие суть излагаемого материала. 11

5. Составьте опорный конспект с учетом требований к форме и содержанию записей. Особое внимание уделите отражению практического производственного опыта по заданной теме.

Ожидаемый результат В результате выполнения ВСР обучающийся демонстрирует полноту изложения материала, умение лаконично излагать мысли, сворачивать и структурировать информацию, правильно расставлять акценты. Учебный материал понятен, новая терминология усвоена.

Ответы на контрольные вопросы Цель данного вида ВСР: закрепить и систематизировать тео тео-ретические знания по заданной теме; проконтролировать качество и глубину усвоения изучаемого материала; развить навыки самостоятельной обработки и систематизированного изложения материала.

Методика выполнения задания 1. Внимательно изучите материал учебника и данные установочных консультаций по теме, а также воспользуйтесь предложенными или самостоятельно найденными источниками информации по заданной теме. 2. Постарайтесь разобраться с непонятными, новыми терминами; если это необходимо, используйте специальную литературу, справочники и словари. 3. Заучите определения основных понятий, формулы и нормативные данные. 4. Освоив теоретический материал, письменно ответьте на контрольные вопросы, указанные в задании.

Ожидаемый результат В результате выполнения ВСР на все контрольные вопросы даны правильные, обоснованные, лаконичные ответы; обучающийся демонстрирует умение систематизировать теоретические знания, осмысленно и самостоятельно работать с учебным и дополнительным материалом по изучаемой теме.

12

Составление таблиц Цель данного вида ВСР: закрепить теоретический материал темы, развить умения систематизировать и обобщать учебный материал, структурировать и представлять информацию в сжатом виде; воспитывать внимательность, ответственность, самостоятельность. Формирование информации в виде таблицы развивает умения обучающихся структурировать теоретический материал, кратко и наглядно представлять информацию. В рамках таблицы наглядно отображаются как разделы одной темы (одноплановый материал), так и разделы разных тем (многоплановый материал). Такие таблицы создаются при изучении большого объема информации, придавая ему оптимальную форму для запоминания.

Методика выполнения задания 1. Внимательно изучите информацию по теме. 2. Выберите самостоятельно оптимальную форму таблицы (если она не приведена в задании). 3. Информацию представьте в максимально сжатом виде и впишите в соответствующие графы таблицы.

Ожидаемый результат В результате выполнения ВСР обучающийся демонстрирует умение систематизировать и обобщать материал, правильно подбирать информацию, что свидетельствует о качественном усвоении знаний.

Решение задач Цель данного вида ВСР: закрепить и повторить изученную информацию, развить умение применять теоретические знания к решению задач, углубить степень освоения материала. Задачи с небольшой расчетной частью рекомендуется решать в общем виде и затем в полученные формулы подставлять числовые значения величин. Для задач с громоздкими вычислениями необходимо сначала показать общий метод решения, составить соответствующие уравнения, которые удобнее затем решать с подставленными числовыми значениями.

13

Все графические построения необходимо выполнять тщательно (с применением чертежных принадлежностей) и с обязательным указанием принятых масштабов. Результаты, полученные при решении задачи, по возможности рекомендуется проверить несколькими методами. Если при решении задачи или при изучении теоретического материала возникнут трудности, необходимо обратиться за консультацией к преподавателю, указывая при этом свои соображения по решению задач. Работа над индивидуальным заданием помогает студентам выработать навыки практического применения полученных теоретических знаний к решению задач.

Методика выполнения задания 1. Внимательно прочитайте и кратко запишите условие задачи, изучите исходные данные. 2. Изучите приведенные примеры решения подобных задач. 3. Определите расчетные методы для решения задачи, выделите основные понятия и формулы. 4. При необходимости самостоятельно определите дополнительные данные для решения задачи. 5. Промежуточные и окончательные результаты выписывайте на отдельных строчках, чтобы они ясно выделялись из общего текста. 6. Оформите решение задачи по установленной форме согласно приведенным примерам. Каждый этап решения задачи должен сопровождаться соответствующими пояснениями. Решение не следует перегружать приведением всех алгебраических преобразований и арифметических расчетов; при вычерчивании электрических схем следует строго соблюдать установленные обозначения и размеры. При построении графиков и диаграмм на осях координат надо наносить равномерные шкалы и указывать величины, откладываемые по осям координат, а также единицы их измерения.

Ожидаемый результат Умение применять полученные знания для решения практических задач, использовать образовательные ресурсы по нахождению нужной информации. 14

Моделирование электрических схем Цель данного вида ВСР: сформировать у обучающихся умения и навыки получения математической модели электрических цепей и их анализа, развить профессиональный интерес к изучаемому материалу. Circuit Simulator – это симулятор электронных схем. Про грамма позволяет визуализировать электрические явления в электронных цепях, давая ощущение игры с реальными компонентами. Программа предлагается к использованию в исключительно образовательных целях для изучения работы электрических цепей и их элементов. Целью моделирования электронной схемы является получение ее математической модели и последующего анализа работоспособности электронного устройства на ЭВМ. Электронные цепи включают в себя сложные компоненты, строгое математическое описание которых представляет известные трудности. Таким образом, необходимым этапом в процессе получения математической модели электронного устройства является разработка схемных моделей отдельных компонентов и создание на их базе эквивалентной схемы для всего устройства в целом.

Методика выполнения задания 1. Перейдите по ссылке: https://blogosoft.com/ https://blogosoft.com/71008 71008 [9]. 2. Скачайте программу Circuit Simulator Simulator.. 3. Запустите программу. Появится анимированная схема или чистый бланк для создания схемы. Зеленый цвет элемента схемы указывает на положительное напряжение. Серый цвет элемента схемы показывает заземление. Красный цвет элемента указывает на отрицательное напряжение. Движущиеся желтые точки показывают относительную силу тока в элементе. Для того чтобы включить или отключить переключатель (ключ), кликните на него. При наведении мыши на элемент можно увидеть подробное описание его состояния в правом нижнем углу. Для изменения параметров элемента кликните по нему правой кнопкой мыши и выберите пункт «Правка». Меню «Схемы» содержит множество примеров схем, доступных для загрузки. 4. При помощи приложения постройте электрическую цепь или схему, используя необходимые типы электронных 15

компонентов – резисторы, конденсаторы, катушки индуктив ности, электронные приборы, элементы питания и провода. 5. Измените те или иные параметры цепи и проверьте, как будет работать схема и каким образом изменения повлияют на работу системы. 6. Сделайте выводы.

Ожидаемый результат В результате выполнения ВСР у обучающегося освоено умение моделировать электрические цепи и анализировать их работу, что способствует более глубокому пониманию материала.

ПРИМЕРНЫЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ ВНЕАУДИТОРНОЙ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

Тема 2.1. Полупроводниковые приборы Краткие теоретические сведения Основой современной электроники служат полупроводниковые приборы, отчего ее часто называют «полупроводниковой электроникой». Поэтому особое внимание отводится изучению структуры и параметров полупроводников. Полупроводниками называются вещества, имеющие удельное сопротивление ρ в пределах 10 –4 – 10 10 Ом · см. Такое широ широ-кое различие в удельной электрической проводимости (электропроводности) веществ обусловлено различием в энергетических спектрах этих материалов, т. е. различием в разрешенных значениях уровней энергии электронов в атомах, которые составляют структуру данного вещества. Электропроводность полупроводников сильно зависит от окружающей температуры. При очень низкой температуре, близкой к абсолютному нулю (–273 °С), они ведут себя как изолят изолято оры. С повышением температуры тепловое движение разрывает связи электронов, и часть их становится свободными носителями тока. Связь электронов может быть разорвана не только тепловым движением, но и различными внешними воздействиями – светом, потоком быстрых частиц, сильным электрическим полем и т. д. Поэтому полупроводники очень чувствительны к внешним воздействиям, а также к содержанию примесей и дефектов в кристаллах. Возможность в широких пределах управлять электропроводностью полупроводников путем изменения температуры, введения примесей и т. д. является основой их многочисленных и разнообразных применений. К полупроводникам относятся наиболее типичные группы веществ, полупроводниковые свойства которых четко выражены уже при комнатной температуре (300 К). К таким группам относятся: 1. Элементы IV группы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева – германий и кремний (Ge, Si), которые как

17

полупроводники пока наиболее полно изучены и широко применяются в полупроводниковой электронике. 2. Алмазоподобные полупроводники. Это соединения элементов III группы Периодической системы элементов – алюминий, галлий, индий (Al, Ga, In) с элементами V группы – мышьяк, фосфор, сурьма (As, Р, Sb). Они называются полупроводниками типа A III B V . Соединения элементов II и VI групп Периодической системы называются полупроводниками типа A II B VI . 3. Элементы V и VI групп: мышьяк, сурьма, кислород, сера, селен (As, Sb, О, S, Se) и их аналоги. 4. Соединения элементов VI группы с переходными или редкоземельными металлами. 5. Органические полупроводники (кристаллы и полимеры). Наиболее часто используются кремний, германий, теллур, селен, сурьма, арсенид галлия, оксиды, сульфиды, нитриды, карбиды. На железнодорожном подвижном составе полупроводниковые приборы используются для обработки электрических сигналов, а также для преобразования одних видов электроэнергии в другие. Полупроводниковые приборы – электронные устройства, действие которых основано на электронных процессах в полупроводниках; они подразделяются на дискретные и интегральные. Дискретные полупроводниковые приборы выполняются в виде отдельных устройств, которые различаются по назначению, принципу действия, типу используемого полупроводникового материала, конструкции и технологии, виду характеристик, областям применения. К основным классам таких дискретных приборов относят: – электропреобразовательные приборы (диод, транзистор, тиристор и другие); – оптоэлектронные приборы, преобразующие световые сигналы в электрические и наоборот (фоторезистор, фотодиод, фототранзистор, полупроводниковый лазер, излучающий диод и т. д.); – термоэлектрические приборы, преобразующие тепловую энергию в электрическую и наоборот;

18

– пьезоэлектрические и тензометрические приборы, реагирующие на изменение давления или механическое смещение и другие воздействия. Интегральные полупроводниковые приборы являются активными элементами монолитных интегральных схем, которые строятся по обычным принципам схемотехники. Интегральным называется полупроводниковое устройство, содержащее в одном корпусе несколько полупроводниковых приборов, как правило не имеющих отдельных корпусов и соединенных в схему для выполнения какой-либо функции. Главным достоинством интегральных приборов по сравнению с дискретными являются их малые размеры. Элементы интегральных схем создаются в едином технологическом цикле на одном кристалле полупроводника. Если же пассивные элементы схемы (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности) изготавливают отдельно на диэлектрической подложке, а активные элементы устанавливают в схему в виде дискретных бескорпусных полупроводниковых приборов, то интегральная схема называется гибридной. Интегральные схемы классифицируют по областям использования (цифровые и аналоговые). Цифровые включают в себя логические, счетно-преобразовательные и интегральные схемы памяти. Аналоговые интегральные схемы охватывают приборы усиления, источники вторичного питания, сверхвысокочастотные схемы. По конструктивным и технологическим признакам полупроводниковые приборы подразделяют на точечные и плоскостные. Последние, в свою очередь, подразделяются на сплавные, диффузионные, мезапланарные, планарные и др. В зависимости от мощности преобразуемых сигналов различают полупроводниковые приборы малой мощности (обычно на токи до 10 А) и силовые полупроводниковые приборы (СПП). Полупроводниковые приборы могут работать на самых низких частотах (порядка долей Гц) и в миллиметровом диапазоне до 100 ГГц в диапазоне рабочих мощностей от микроватт до десятков и сотен киловатт. В полупроводниковых резисторах применяется полупрово дниковый материал, равномерно легированный примесям и.

19

Тип примеси и конструкция резистора определяют функциональные свойства резистора. На основе беспереходных полупроводников изготавливаются полупроводниковые резисторы: – линейный резистор – удельное сопротивление мало зависит от напряжения и тока; является элементом интегральных микросхем; – варистор – удельное сопротивление зависит от приложенного напряжения; – терморезистор – удельное сопротивление зависит от температуры; различают два типа: термистор (с увеличением температуры сопротивление падает) и позисторы (с увеличением температуры сопротивление возрастает); – фоторезистор – удельное сопротивление зависит от освещенности (излучения); – тензорезистор – удельное сопротивление зависит от механических деформаций. Малые размеры, масса и потребляемая мощность, высокая надежность и механическая прочность обеспечили быстрое распространение полупроводниковых приборов и, соответственно, развитие полупроводниковой электроники. На железнодорожном транспорте полупроводниковые приборы позволяют создавать совершенные устройства преобразования энергии на железнодорожном подвижном составе и в устройствах обеспечения безаварийных перевозок. Принцип работы большинства полупроводниковых приборов основывается на использовании электронно-дырочного перехода (p-n p-n--перехода) – зоной раздела областей полупроводника с разными механизмами проводимости (электронной n-области и дырочной p-области). Основным свойством p-n-перехода является односторонняя проводимость (ток может протекать только в одну сторону). Полупроводниковый диод – это полупроводниковый при бор с одним p-n -переходом и двумя выводами, обладающий односторонней проводимостью. Условно-графическое обозначение (УГО) диода имеет форму стрелки, которая указывает направление протекания тока через прибор – от анода к катоду (рис. 1).

20

Конструктивно диод состоит из p-n p-n--перехода, заключенного в корпус (за исключением микромодульных бескорпусных), и двух выводов: от p-области – анод, от n-области – катод. Зависимость тока диода от приложенного напряжения называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) прибора I = f(U). ВАХ диода имеет прямую и обратную ветви (рис. 1).

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика диода: а – обратное включение; б – прямое включение

Односторонняя проводимость определяет выпрямительные свойства диода. При прямом включении (« + » на анод и « – » на катод) диод открыт и через него протекает достаточно большой прямой ток. В обратном включении (« – » на анод и « + » на катод) диод заперт, протекает малый обратный ток. В зависимости от назначения полупроводниковые диоды подразделяют на выпрямительные, универсальные, импуль сные, стабилитроны и стабисторы, туннельные и обращенные диоды, светодиоды и фотодиоды. Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока низкой частоты (обычно менее 50 кГц) в постоянный, т. е. для выпрямления. Их основными параметрами являются максимально допустимый прямой ток I пр.mах и максимально допустимое обратное напряжение U oбp.max. Данные

21

параметры называют предельными – их превышение может частично или полностью вывести прибор из строя. С целью увеличения этих параметров изготавливают диодные столбы, сборки, матрицы, представляющие собой последовательно-параллельное, до вательно-параллельное, мостовое или другие соединения p-n-переходов. Универсальные диоды служат для выпрямления токов в ши ши-роком диапазоне частот (до нескольких сотен МГц). Пара метры этих диодов те же, что и у выпрямительных, только вводятся еще дополнительные: максимальная рабочая частота (мГц) и емкость диода (пФ). Импульсные диоды предназначены для преобразования им им-пульсного сигнала, применяются в быстродействующих импульсных схемах. Требования, предъявляемые к этим диодам, связаны с обеспечением быстрой реакции прибора на импульсный характер подводимого напряжения – малым временем перехода диода из закрытого состояния в открытое и обратно. Стабилитроны – это полупроводниковые диоды, падение напряжения на которых мало зависит от протекающего тока. Служат для стабилизации напряжения. p-n--пе пе-Варикапы – их принцип действия основан на свойстве p-n рехода изменять значение барьерной емкости при изменении на нем величины обратного напряжения. Применяются в качестве конденсаторов переменной емкости, управляемых напряжением. В схемах варикапы включаются в обратном направлении. Светодиоды – это полупроводниковые диоды, принцип действия которых основан на излучении p-n-переходом света при прохождении через него прямого тока. Фотодиоды – полупроводниковые диоды, у которых обратный ток прямо зависит от интенсивности светового потока, падающего на него. Диоды Шоттки – основаны на переходе металл-полупроводник, за счет чего обладают значительно более высоким быстродействием, чем обычные диоды. Условно-графические обозначения диодов приведены на рисунке 2.

22

Рис. 2. Условно-графическое обозначение диодов: 1 – выпрямительный универсальный импульсный; 2 – стабилитрон; 3 – варикап; 4 – светодиод; 5 – фотодиод; 6 – диод Шоттки

Полупроводниковые диоды выполняются на токи от нескольких миллиампер (напряжение от десятков вольт) до килоампер прямого тока (обратное напряжение от 5 кВ и выше). По назначению диоды подразделяются на выпрямительные, импульсные и специальные. Выпрямительные диоды предназначены для выпрямления переменного тока. К ним относятся в основном силовые диоды, которые имеют виды, подвиды, модификации, типы, классы и группы. Импульсные диоды применяются в импульсных системах и установках. В преобразователях железнодорожного подвижного состава применяются все типы диодов. Диоды являются одними из самых распространенных электронных компонентов. Они присутствуют практически во всех электронных приборах, которые мы ежедневно используем – от мобильного телефона до его зарядного устройства. Применяются в детекторах, логарифматорах, экстрематорах, преобразователях частоты и в других устройствах, в которых предполагается нелинейная обработка аналоговых сигналов. Устройства, которые используются для получения постоянного тока из переменного – это силовой трансформатор, непосредственно выпрямитель (вентиль) и фильтр для сглаживания. Светодиоды широко используются в самой разной аппаратуре в качестве лампочек индикации, которые чаще всего свидетельствуют о том, включен или выключен прибор. Диоды нашли применение и в устройствах коммутации, которые используются для того, чтобы переключать токи или напряжения. Диодные мосты дают возможность под воздействием управляющего напряжения размыкать или замыкать цепь, которая служит для передачи сигнала. Иногда управляющим может быть сам входной сигнал.

23

Транзисторы (от английского transfer of resistor – преобразователь сопротивления) представляют собой полностью управляемые полупроводниковые приборы, обладающие свойством усиления электрических сигналов. Широко применяются биполярные и полевые (униполярные) транзисторы. Биполярные транзисторы – полупроводниковые приборы с двумя взаимодействующими электронно-дырочными переходами и с тремя выводами (эмиттер, коллектор, база), усилительные свойства которых обусловлены явлениями инжекции и экстракции неосновных носителей заряда (рис. 3). Работа транзистора зависит от носителей обеих полярностей (отсюда термин «биполярный»).

Рис. 3. Условно-графическое обозначение биполярного транзистора

Основная суть работы биполярного транзистора заключается в том, что небольшой ток базы управляет гораздо большим током коллектора, т. е. происходит усиление сигнала по току. Это усиление осуществляется за счет энергии источника питания. Полевые транзисторы – полупроводниковые приборы, усилительные свойства которых обусловлены потоком основных носителей заряда, протекающих через проводящий канал и управляемых электрическим полем (отсюда термин «полевой»). Название «униполярные» обусловлено тем, что работа транзисторов зависит от носителей заряда одной полярности. Полупроводниковый кристалл содержит канал, который имеет три вывода: исток И, сток С и затвор З (рис. 4). Через исток носители втекают в канал, через сток – вытекают из канала. Затвор является управляющим электродом. Характерной особенностью полевых транзисторов является большое входное сопротивление. Но транзисторы этого типа 24

имеют большее напряжение в открытом состоянии и, следовательно, имеют более высокие потери от тока в канале, что ограничивает их мощность.

Рис. 4. Условно-графическое обозначение полевого транзистора: а) полевой транзистор n-типа; б) полевой транзистор p-типа

Изготовляются также комбинированные транзисторы – биполярные с изолированным затвором, сочетающие преиму щества биполярного (малое напряжение во включенном состоянии) и полевого (высокое входное сопротивление) транзисторов. Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistors) – полностью управляемый полупроводниковый прибор, основа которого состоит из трехслойной структуры. Его включение и выключение осуществляются подачей и снятием положительного напряжения между затвором и истоком. Тиристоры. Важнейшее значение в силовой преобразователь преобразователь-ной технике имеют приборы с многослойной полупроводниковой структурой типа р-n-р-n или n-р-n-р, обладающие ключевой характеристикой с двумя устойчивыми состояниями: с высоким (закрытое состояние) и низким (открытое состояние) сопротивлениями. На основе многослойных полупроводниковых структур разработаны приборы на токи до нескольких тысяч ампер и на напряжения до 5000В. Такие приборы получили общее название тиристоры (от греческого слова «тира» – дверь). Тиристор – это полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, который может переключаться из закрытого состояния в открытое (процесс отпирания) и из открытого состояния в закрытое (процесс запирания). Время переключения тиристоров несоизмеримо меньше времени включенного или выключенного состояния и находится в пределах от единиц до нескольких сотен микросекунд. Назначение тиристора – выполнение функции электроключа, особенность которого 25

состоит в невозможности самостоятельного переключения в закрытое состояние. Существует много разновидностей тиристоров. Основными типами являются диодные (динисторы) и триодные тиристоры. Наибольшее распространение получили простейшие однооперационные тиристоры, имеющие три электрода: анод, катод и управляющий электрод (рис. 5).

Рис. 5. Условно-графическое обозначение тиристора

Прямое смещение от управляющего электрода переводит структуру в проводящее (открытое) состояние. Обратное переключение в закрытое состояние возможно только после отключения тока анода и тока управления. Таким образом, в однооперационном (невыключаемом, незапираемом) тиристоре по цепи управляющего электрода осуществима только одна операция – отпирание тиристора. Запирание такого тиристора достигается по цепи анода. Тиристор остается во включенном состоянии, если ано дный ток не меньше тока удержания. В цепях переменного тока при изменении знака приложенного напряжения анодный ток уменьшается до нуля и принимает обратное направление. При этом тиристор через определенное время запирается. Такое выключение называется естественной коммутацией. Типичное время выключения лежит в пределах от нескольких микросекунд до 60мкс для инверторных тиристоров и до 200 –500 мкс для обычных сетевых тиристоров. Для закрытия тиристора необходимо, чтобы завершился процесс рекомбинации носителей заряда (электронов и «дырок»). Если анодное напряжение переходит через нуль раньше, чем завершится рекомбинация зарядов, то тиристор может вновь перейти во включенное состояние. В этом случае происходит срыв естественной коммутации. Таким образом, время выключения тиристора является важным параметром. 26

Виды ВСР: 1. Ответы на контрольные вопросы (3 ч). 2. Составление таблицы (3 ч).

1. Ответы на контрольные вопросы Задание Изучите краткие теоретические сведения и учебный материал рекомендуемых источников по теме; письменно ответьте на следующие вопросы: 1. Перечислите виды полупроводниковых приборов. Укажите достоинства и недостатки полупроводниковых приборов. 2. Опишите свойства полупроводниковых приборов. 3. Поясните, чем обусловлены n- и р-проводимость. 4. Объясните механизм образования электронно-дырочного перехода. 5. Опишите устройство и принцип действия полупроводникового диода. 6. Поясните устройство биполярного и полевого транзистора, укажите их отличия. 7. Дайте определение понятия «тиристор» и объясните принцип его работы.

2. Составление таблицы Задание Изучите материал рекомендуемых источников и самостоятельно заполните таблицу 2, выписав характеристики основных полупроводниковых приборов. Таблица 2 Полупроводниковые приборы № п/п

Виды полупроводниковых Характеристики приборов

Условные обозначения на схеме (маркировка)

Принцип работы в схеме

Источники информации: [3, гл. 3, с. 21 – 90]; [4, гл. 16, с. 457 – 509]; [10]. 27

Тема 2.2. Интегральные схемы микроэлектроники Краткие теоретические сведения Микроэлектроника – это современное наукоемкое направление электроники, позволяющее с помощью комплекса технологических, конструктивных и схемотехнических средств создавать малогабаритные, высоконадежные и экономичные электронные устройства. Основу микроэлектроники составляют теория, методы расчета и изготовления микросхем. Микросхемой (интегральной микросхемой (ИМС), инт инте егральной схемой (ИС)) называют функционально законченный электронный узел (модуль), элементы и соединения в котором конструктивно неразделимы и изготовлены одновременно в едином технологическом процессе в общем кристалле-основании. Элементом интегральной микросхемы называют ее часть, которая выполняет функцию какого-либо одного электрорадиоэлемента, например транзистора, диода, резистора, и не может быть отделена от ИМС как самостоятельное изделие. Элемент нельзя отдельно испытать, упаковать и эксплуатировать, так как он изготовляется неразрывно с кристаллом ИМС. Компонентом интегральной микросхемы также называют часть ИМС, выполняющую функцию какого-либо электрорадиоэлемента, но эта часть перед монтажом является самостоятельным комплектующим изделием в специальной упаковке и может быть отдельно испытана и принята, а затем установлена в изготовляемую ИМС. Компонент в принципе может быть выделен из изготовленной ИМС (например, бескорпусный транзистор в гибридной микросхеме). Электронная схема реализуется на основе многих дискретных элементов (запоминающий элемент, усилительный каскад, логический элемент). Функциональный модуль образуется при соединении нескольких элементарных схем в одну конструктивно законченную сборочную единицу. Узел – конструктивное объединение нескольких модулей. По конструктивно-технологическому исполнению микросхемы подразделяются на полупроводниковые и гибридно-пленоч-

28

ные. Полупроводниковые микросхемы имеют в своей основе монокристалл полупроводникового материала (обычно кремния), в поверхностном слое которого методами литографии и избирательного легирования создаются транзисторы, диоды, резисторы и (иногда) конденсаторы, а соединения между ними формируются по поверхности кристалла с помощью тонкопленочной технологии. Полупроводниковые микросхемы могут быть однокристальными (монолитными) и многокристальными (микросборками). Однокристальная микросхема может иметь индивидуальный герметизированный корпус с внешними выводами для монтажа на коммутационной (печатной) плате, или быть бескорпусной и входить в состав микросборки. Многокристальная микросхема (микросборка) представляет собой совокупность бескорпусных микросхем, смонтированных на общей коммутационной плате. В качестве компонентов в микросборке могут присутствовать бескорпусные согласующие резисторы и развязывающие конденсаторы. Вследствие высокой насыщенности связей коммутационная плата выполняется многоуровневой и, таким образом, является миниатюрным аналогом многослойной печатной платы. При изготовлении коммутационной платы может быть использована как тонкопленочная, так и толстопленочная технологии. По типу применяемых активных элементов (транзисторов) интегральные схемы подразделяются на ИС на биполярных транзисторах (биполярных структурах) и ИС на МДП- или МОП-транзисторах (транзисторы со структурой «металл – диэлектрик (оксид) – полупроводник»). Число элементов в интегральной микросхеме характеризует ее степень интеграции. По этому параметру все микросхемы условно подразделяют на малые (МИС – до 102 элементов на кристалл), средние (СИС – до 103), большие (БИС – до 104), сверхбольшие (СБИС – до 106), ультрабольшие (УБИС – до 109) и гигабольшие (ГБИС – более 109 элементов на кристалл). Наиболее высокой степенью интеграции обладают цифровые интегральные схемы с регулярной структурой: схемы динамической и статической памяти, постоянные и перепрограммируемые

29

запоминающие устройства (ЗУ). Это связано с тем, что в таких схемах доля участков поверхности ИС, приходящаяся на межсоединения, существенно меньше, чем в схемах с нерегулярной структурой. В настоящее время используют две разновидности технологических процессов изготовления ИМС: 1) полупроводниковые процессы; 2) тонкопленочные процессы. Так как тонкопленочная технология позволяет изготовлять только пассивные элементы, а полупроводниковая – активные элементы, то целесообразно использовать их комбинацию. Это приводит к созданию гибридных интегральных МС. Полупроводниковые ИС изготавливают из особо чистых полупроводниковых материалов (обычно кремний, германий), в которых перестраивают саму решетку кристаллов так, что отдельные области кристалла становятся элементами сложной схемы. Технология изготовления полупроводниковых ИС (рис. 6) обеспечивает одновременную групповую обработку сразу большого количества схем. Это определяет в значительной степени идентичность иде нтичность схем по характеристикам. Полупроводниковые ИС имеют высокую надежность за счет использования планарного процесса изготовления и значительного сокращения числа микросоединений элементов в процессе создания схем. Система условных обозначений современных типов ин тегральных микросхем установлена отраслевым стандартом «ОСТ 11 073.915–2000. Микросхемы интегральные. Классификация и система условных обозначений» [7]. В основу системы обозначений положен буквенно-цифровой код. Первый элемент может состоять из одной буквы К, которая означает, что микросхема предназначена для устройств широкого общепромышленного применения. Если микросхема выполнена в экспортном исполнении, то перед буквой К стоит буква Э. Отсутствие первого элемента обозначения, буквы К, указывает, что микросхема предназначена для применения в специальной продукции. Второй элемент (необязательный) – буква, характеризую щая материал и тип корпуса микросхемы: А – пластмассовый, планарный корпус; Б – бескорпусная микросхема; 30

Рис. 6. Укрупненная схема технологического процесса изготовления полупроводниковых (монолитных) ИС

Е – металлополимерный корпус с параллельным двухрядным расположением выводов; И – стеклокерамический планарный корпус; М – металлокерамический, керамический или стеклокерамический корпус с параллельным двухрядным расположением выводов; Н – кристаллоноситель (безвыводной); Р – пластмассовый корпус с параллельным двухрядным расположением выводов (у цифровых микросхем часто опускается). Третий элемент (цифра) обозначает группу ИМС: 1, 5, 7 – полупроводниковые; 2, 4, 6, 8 – гибридные; 3 – прочие (например, пленочные). 31

Четвертый элемент (двух- или трехзначное число) означает номер разработки. Пятый элемент (две буквы) определяет подгруппу и вид ИМС по функциональному назначению, например: ВМ – микропроцессор; ГС – генератор гармонических сигналов; ЕВ – выпрямитель; ЛИ – логический элемент И; ТД – триггер динамический; ИР – цифровой регистр; УД – усилитель дифференциальный и т. д. Шестой элемент – порядковый номер ИМС в серии по функциональному признаку (одна или две цифры). За шестым элементом обозначения следует буква, указывающая на деление ИМС данного типа на группы, различные по одному или нескольким параметрам. Например, обозначение микросхемы К140УД14А означает: К – микросхема для электронных устройств широкого применения, 1 – полупроводниковая, 40 – порядковый номер серии (серия 140), УД – дифференциальный усилитель, 14 – порядковый номер дифференциального усилителя в серии 140, А – с коэффициентом усиления определенного значения. Вид ВСР: Ответы на контрольные вопросы (3 ч).

Ответы на контрольные вопросы Задание Изучите рекомендуемые источники информации и дайте письменные ответы на следующие вопросы: 1. Опишите основные принципы и понятия микроэлектроники. 2. Укажите, по каким признакам производится классификация ИМС. 3. Поясните, в чем состоит отличие гибридной и пленочной ИМС. 4. Дайте определение понятия «степень интеграции». 5. Поясните особенности системы обозначений ИМС. 6. Расшифруйте следующие обозначения микросхем: К133ИД1; К1564ПУ1; К155ТМ2; КР1533ЛА3; КР 1533ЛА3;

32

К590КН7; КР1554ИР47. КР 1554ИР47.

КР531ИЕ17; КР 531ИЕ17;

Источники информации: [3, гл. 21, с. 584 – 609]; [4, гл. 21, с. 584 – 609]; [7]; [10].

Тема 2.3. Приборы и устройства индикации Краткие теоретические сведения Индикаторные приборы или элементы индикации составляют основу устройств отображения информации, которые предназначены для преобразования электрического сигнала в видимую форму. В зависимости от назначения индикаторные приборы могут иметь разную степень сложности и базироваться на различных физических принципах. В настоящее время для отображения знаковой информации наибольшее распространение получили перечисленные ниже приборы. 1. Накальные – в них используется свечение нити накаливания, разогретой электрическим током; представляют собой миниатюрные лампы накаливания, подсвечивающие цветные корпуса (светофильтры) индикаторов и кнопок или определенные изображения, знаки, символы. 2. Электролюминесцентные – в них используется свечение некоторых веществ под воздействием электрического поля; представляют собой многоанодные лампы, имеющие катод, эмитириющий электроны, и сетку, управляющую током индикатора. Аноды выполняются в виде знакосинтезирующих сегментов, покрытых люминофором. При столкновении с поверхностью анодов электроны вызывают свечение люминофора необходимого цвета. На каждый анод отдельно подается питающее напряжение. Позволяют получить большое количество элементов и знаков разных цветов и высокой яркости. Ранее широко применяемые, вытесняются другими видами индикаторов. 3. Электронно-лучевые – основаны на свечении люминофора при бомбардировке его электронами. Самыми яркими представителями электронно-лучевых приборов являются электронно-лучевые трубки (ЭЛТ). ЭЛТ – электронный электровакуумный прибор, в котором используется поток электронов, 33

сконцентрированный в форме луча, управляемый электрическим или (и) магнитным полем и создающий на специальном экране видимое изображение. Применяются в осциллографах – для наблюдения электронных процессов, в телевидении (кинескопы) – для преобразования электрического сигнала; интенсивно вытесняются жидкокристаллическими индикаторами: выпуск ЭЛТ мониторов прекращен, ЭЛТ телевизоров – сокращается. 4. Газоразрядные – в них используется свечение газа при электрическом разряде. Состоят из герметичного баллона с впаянными в него электродами (в простейшем случае анодом и катодом – неоновая лампа), и заполненного инертными газами (неон, гелий, аргон, криптон) под низким давлением. При подаче напряжения наблюдается свечение газа. Цвет свечения определяется составом газа-наполнителя. Используются для индикации постоянного или переменного напряжений. На сегодняшний день газоразрядные приборы применяются для изготовления плазменных панелей. 5. Полупроводниковые индикаторы – основаны на излучении квантов света при протекании тока через p-n-переход. Различают: – дискретные (точечные) полупроводниковые индикаторы – светодиоды; – знаковые индикаторы – для отображения цифр и букв; – светодиодные матрицы (используются для изготовления светодиодных экранов (LED-дисплеи). Мощные светодиоды используются в качестве источников света в комнатном и уличном освещении, в прожекторах, светофорах, фарах автомобилей. Безынерционность делает светодиоды незаменимыми, когда нужно высокое быстродействие. 6. Жидкокристаллические – основаны на изменении оптических свойств жидких кристаллов под воздействием электрического поля. Жидкие кристаллы (ЖК) представляют собой органические жидкости с упорядоченным расположением молекул, характерным для кристаллов. Жидкие кристаллы прозрачны для световых лучей, но под действием электрического поля структура их нарушается, молекулы располагаются беспорядочно и жидкость становится непрозрачной. 34

Тема 2.4. Выпрямители и стабилизаторы Краткие теоретические сведения Выпрямителем называется устройство для преобразования переменного напряжения в постоянное. Основное назначение выпрямителя заключается в сохранении направления тока в нагрузке при изменении полярности приложенного напряжения. Выпрямитель можно рассматривать как один из типов инверторов напряжения. Обобщенная структурная схема выпрямителя приведена на рисунке 7. В состав выпрямителя могут входить: силовой трансформатор (СТ), вентильный блок (ВБ), фильтрующее устройство (ФУ) и стабилизатор напряжения (СН). Трансформатор СТ выполняет следующие функции: преобразует значение напряжения сети, обеспечивает гальваническую изоляцию нагрузки от силовой сети, преобразует количество фаз силовой сети. В импульсных источниках питания трансформатор обычно отсутствует, так как его функции выполняет высокочастотный инвертор.

Рис. 7. Обобщенная структурная схема выпрямителя

Вентильный блок ВБ является основным звеном выпрямителя, обеспечивая однонаправленное протекание тока в нагрузке. В качестве вентилей могут использоваться полупроводниковые приборы, обладающие односторонней электропроводностью, например, диоды, тиристоры, транзисторы и др. Идеальные вентильные элементы должны пропускать ток только в одном (прямом) направлении и совсем не пропускать его в другом (обратном) направлении. Реальные вентильные элементы отличаются от идеальных прежде всего тем, что они пропускают некоторый ток в обратном направлении и имеют падение напряжения при протекании прямого тока. Это сказывается

36

на снижении КПД вентильного блока и снижении эффективности выпрямителя в целом. Фильтрующее устройство ФУ используется для ослабле ния пульсаций выходного напряжения. В качестве фильтрующего устройства обычно используются фильтры нижних частот (ФНЧ), выполненные на пассивных R, L, С элементах или, иногда, с применением активных элементов – транзисторов, операционных усилителей и пр. Качество ФУ оценивают по его способности увеличивать коэффициент фильтрации q, равный отношению коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра. Стабилизатор напряжения СН предназначен для уменьшения влияния внешних воздействий: изменения напряжения питающей сети, температуры окружающей среды, изменения нагрузки и др. на выходное напряжение выпрямителя. Стабилизатор напряжения можно установить не только на выходе выпрямителя, но и на его входе. Если к стабильности выходного напряжения не предъявляется особых требований, то стабилизатор может быть или совсем исключен или его функции переданы другим узлам. Например, в импульсных источниках питания функции стабилизатора может выполнять регулируемый инвертор (РИ) или регулируемый вентильный блок. Кроме основных узлов в состав выпрямителя могут входить различные вспомогательные элементы и узлы, предназначенные для повышения его надежности: узлы контроля и автоматики, узлы защиты и др., например, узлы автоматического переключения напряжения питающей сети 110 – 220 В.

Стабилизаторы напряжения, тока Величина напряжения на выходе выпрямителей, предназначенных для питания различных радиотехнических устройств, может колебаться в значительных пределах, что ухудшает работу аппаратуры. Основными причинами этих колебаний являются изменения напряжения на входе выпрямителя и изменение нагрузки. В сетях переменного тока наблюдаются изменения напряжения двух видов: медленные, происходящие в течение от нескольких минут до нескольких часов, и быстрые, длительностью доли секунды. Как те, так и другие изменения отрицательно

37

сказываются на работе аппаратуры. Для обеспечения заданной точности измерительных приборов (электронных вольтметров, осциллографов и др.) также необходима стабилизация напряжения. Стабилизатором напряжения называется устройство, под держивающее напряжение на нагрузке с требуемой точностью при изменении сопротивления нагрузки и напряжения сети в известных пределах. Стабилизатором тока называется устройство, поддерживающее ток в нагрузке с требуемой точностью при изменении сопротивления нагрузки и напряжения сети в известных пределах. По способу стабилизации стабилизаторы подразделяют на параметрические и компенсационные. При параметрическом способе стабилизации используют некоторые приборы с нелинейной вольт-амперной характеристикой, имеющей пологий участок, где напряжение (ток) мало зависит от дестабилизирующих факторов. К таким приборам относятся стабилитроны, бареттеры, лампы накаливания и др. При компенсационном способе стабилизации постоянство напряжения (тока) обеспечивается посредством автоматического регулирования выходного напряжения (тока) источника питания. Это достигается за счет введения отрицательной обратной связи между выходом и регулирующим элементом, который изменяет свое сопротивление так, что компенсирует возникшее отклонение выходной величины. Виды ВСР: 1. Ответы на контрольные вопросы (3 ч). 2. Моделирование электрических схем (3 ч).

1. Ответы на контрольные вопросы Задание Изучите рекомендуемые источники информации и дайте письменные ответы на следующие вопросы: 1. Укажите назначение и опишите принцип работы выпрямительных устройств. 2. Перечислите и охарактеризуйте виды выпрямителей. 3. Поясните, как определить коэффициент пульсаций выпрямителя. 4. Укажите, по каким параметрам выбирают диоды для выпрямителей. 38

5. Объясните, как влияет емкость сглаживающего конденсатора на амплитуду пульсаций выпрямленного напряжения. 6. Приведите классификацию стабилизаторов тока и напряжения и укажите их назначение.

2. Моделирование электрических схем Задание Решите задачи на моделирование и расчет электрических схем выпрямления.

Задача № 1: Составьте схему мостового выпрямителя, используя один из четырех диодов: Д218, Д222, КД КД202Н, 202Н, Д215Б. Мощность потребителя Ро = 300 Вт, напряжение потребителя U d = 200 В. Смоделируйте в программе Circuit Simulator расчетную схему и проверьте ее работу.

Задача № 2: Для питания постоянным током потребителя мощностью P d = = 300 Вт при напряжении U d = 20 В соберите схему однополупериодного выпрямителя, использовав имеющиеся стандартные диоды Д242А. Смоделируйте в программе Circuit Simulator расчетную схему и проверьте ее работу.

Задача № 3: Для получения стабилизированного напряжения U н = 5 В на нагрузке R н = 1 кОм параллельно ей подключен стабили трон. Определите величину балластного резистора R б и рассеиваемую на нем мощность, если напряжение источника питания U = 12 В.

Задача № 4: Произведите электрический расчет всех элементов, начертите и проверьте схему стабилизированного источника питания в программе Circuit Simulator. Источник работает от сети переменного тока с напряжением U = 230 В и частотой 50 Гц. Изменения напряжения сети возможны в пределах ±20 % от номинального значения.

39

Задача № 5: Проверьте условия стабилизации параметрического стабилизатора, если колебания входного напряжения составляют ±10%U. Стабилизатор выполнен на базе стабилитрона КС КС456А, 456А, величина гасящего резистора R г = 75 Ом, мощность и напряжение нагрузки Р н = 50 мВт, U H = 5,6 В, номинальное значение входного напряжения стабилизатора U вх = 7,5 В.

Примеры решения задач Задача № 1: Для питания постоянным током потребителя мощностью Р = d = 250 Вт при напряжении U d = 100 В соберите схему двухполупериодного выпрямителя, использовав стандартные диоды типа Д243Б. Решение: 1. Выписываем параметры диода: I 2. Определяем ток потребителя: Pd

Id

U I dd

;

Pd ; Ud

доп

= 2 А; U

обр

= 200 В. (1)

250 2, 5 (А ). 2,5 100 250 Id 2,5 2, 5 ( А). 3. Определяем напряжение, действующее на диод в непрово100 P дящий период: н Iн ; (2) = 3,14 UU в н Pн U d; I ; Uв = 3,14 ·н 100 U=н 314 (В). 4. Проверяем диод по параметрам I доп и U обр . Для дан 300 I 1, 5 ( А ). н ной схемы диод должен удовлетворять условиям U обр > U d 200 300 и I доп > 0,5I d. Iн 1, 5 ( А). 200 В данном случае первое условие не соблюдается (200 < 314), Iн ; (0,5I = 0,5 · 2,5 = 1,25 < 2 А). Iд т. е. U обр < U в; второе выполняется d 2 Iн 5. Составляем схему выпрямителя. ; Iд 2 Чтобы выполнялось условие 1, 5 U обр > U в, необходимо два диода I 0, 75 ( А). соединить последовательно, тогда: д 2 1, 5 > 314 (В). Uобр = 200 ·I 2 = 400 0, 75 (А ). д 2 Полная схема выпрямителя приведена на рисунке 8 и провеUK ВХ O U ВЫХ UK ;Circuit Simulato ВХ в O 1 рена на свою пригодность в работе программе Simulator. r. KO 2 UK ВХ O U ВЫХ UK ; ВХ O1 K 40 O2 3 200 U ВЫХ 50 10 1 ( В) В).. 10 3 200 U ВЫХ 50 10 1 ( В) В).. 10 U ВЫХ МН ВЫХ1 1 Id

б) Рис. 8. Схема двухполупериодного выпрямителя: а) принципиальная схема выпрямителя; б) пример составления схемы в программе Circuit Simulator

Задача № 2: Составьте схему мостового выпрямителя, использовав один из четырех диодов: Д218, Д222, КД КД202Н, 202Н, Д215Б. Мощность потребителя Рн = 300 Вт, напряжение потребителя U н = 200 В. Смоделируйте в программе Circuit Simulator расчетную схему и проверьте ее работу. Решение: Выписываем параметры диодов. Таблица 5 Д218 Д222

I доп = 0,1 А

Id

КД202Н КД 202Н Д215Б

I допPd= ;0,4 АP

U dI d

I

Id

U

доп

d

= 1 АU d

250 Id 100

100 1. Определяем ток потребителя:

Iн

Iн

Iд

Iд

Pн ; U нI н

2,5 2, 5 ( А).

Pн ; Uн

300 1, 5 ( А). 300 Iн 1, 5 ( А). 200 200 Iн ; Iн ; 2I д 2 1, 5 0,1,75 5 (А ). 0, 75 (А ). 2I д

= 1000 В

U

обр

= 600 В

U

обр

= 500 В

U

обр

= 200 В

;

I доп = 2 А,2, 2,5 250 5 ( А).

обр

(3)

41

н

Uн

300 1,300 5 ( А). 200 Iн 1, 5 ( А). 200 2. Определяем ток, протекающий через каждый диод: Iн ; Iд Iн 2 Iд ; (4) 2 1, 5 Iд 0, 75 (А ). 2 I д 1, 5 0, 75 (А ). 2 3. Находим напряжение, действующее на диод в непроводяUK щий период для мостовой схемы выпрямителя: ВХ O U ВЫХ UK ; ВХ O ВХ O1 UK (5) 1,57 U ; K Uд = U ; ВЫХ нUK ВХ OO 12 KO 2 l,57 57 · 200 = 314 (В). Uд = l, 3 200 4. Выбираем диод из U условия: 50 10 ( В) В).. ВЫХ 3 1200 10 U 50 10 1 ( В) В).. 0,75 (А); I доп > I д = ВЫХ 10 МН Uобр > U д =U314 ВЫХ1 ВЫХ 1(В). UU ( ); М Н ВЫХН1 ВЫХН 1 ВЫХ1 ВЫХ 1 U ВЫХ ВЫХ1 1 5. Этим условиям удовлетворяет диод КД202Н КД 202Н с параметММ UU ); Н 1 Н 2 ВЫХН1 ВЫХН 1 ВЫХ1 ВЫХ 1( ММ Н1 Н2 рами: I доп = 1,0 А > I д = 1, 0,75 43 (А); U ВЫХН 1 0,9 0, 92 ( В) В).. ВЫХН1 1 = 314 (1, В).43 0, Uобр = 500 >UUВЫХН д 1, 3 1 0,9 92 ( В) В).. ВЫХН1 1 1, 3 Диоды Д218 и Д222 удовлетворяют условию по напряжению, EKR так как 1000 В и 600 В больше 314 В,2 но не подходят по допуU ;EKR2 0,75А. Диод 215Б, БЭ стимому току, так как 0,1 А и 0,4 А меньше RR U12БЭ ; наоборот, подходит по допустимому току, так как 2 > 0,75 А, RR 12 но не подходит по обратному напряжению, так как 200В < 314В. 10 100 6. Составляем схему U мостового выпрямителя 0, 32 (рис. В).. 9 а) В) БЭ 10 100 3000 U БЭ 100 0, 32 (В) В).. 3000 100 UE 10 (В) В);; KK UE 10 (В) В);; KK EK IK ; RKI K EK ; RK 10 IK 42 мА). ). 10(мА 240 IK 42 (мА мА). ). 240 Iн

б) а) Рис. 9. Схема мостового выпрямителя

42

В этой схеме используем диоды КД КД202Н, 202Н, с параметрами: I доп = 1 А; U обр = 500 В. 7. Моделируем в системе Circuit Simulator расчетную схему мостового выпрямителя (рис. 9 б) и проверяем ее работу. Источники информации: [3, гл. 18, с. 525 – 541]; [4, гл. 18, с. 525 – 540]; [9]; [10].

Тема 2.5. Электронные усилители Краткие теоретические сведения Электронным усилителем называется устройство, преобразующее маломощный входной электрический сигнал в сигнал гораздо большей мощности с минимальными искажениями его формы. Усиление мощности сигнала может осуществляться за счет усиления тока или напряжения. Эффект усиления возможен только при наличии дополнительного источника энергии, называемого источником питания. Следовательно, усилитель представляет собой устройство, которое под воздействием входного сигнала преобразует энергию источника питания в энергию выходного (полезного) сигнала. Обобщенная схема включения усилителя приведена на рисунке 10.

Рис. 10. Схема включения электронного усилителя

Источником входного сигнала усилителя может быть любой преобразователь электрической или неэлектрической величины в электрическую: микрофон, фотоэлемент, пьезоэлемент, считывающая магнитная головка, предшествующий усилитель, термоэлектрический датчик, химический источник тока и т. д. В зависимости от типа источника, диапазон мощностей сигналов,

43

3) по диапазону усиливаемых частот – усилитель постоянного тока, усилители переменного тока, усилители низких частот (УНЧ), усилители высоких частот (УВЧ), усилители СВЧ-диапазона, оптические усилители, широкополосные, узкополосные, избирательные усилители, усилители с управляемой полосой усиливаемых частот; 4) по виду соединения между каскадами в многокаскадных усилителях – усилители с гальванической, емкостной и трансформаторной связью; связь по постоянному току обеспечивается только при наличии гальванической связи; 5) по виду нагрузки – усилители с активной, емкостной и индуктивной нагрузкой; 6) резонансные усилители (в процессе усиления используются резонансные системы); 7) по способу усиления – электронные, магнитные, элек тромашинные, оптические или квантовые, параметрические усилители. Виды ВСР: 1. Составление опорного конспекта (2 ч). 2. Составление таблицы (2 ч). 3. Решение задач (3 ч).

1. Составление опорного конспекта Задание Изучите самостоятельно рекомендуемый учебный и дополнительный материал по теме и письменно составьте конспект в соответствии с планом: 1. Назначение электронных усилителей. 2. Классификация электронных усилителей. 3. Основные параметры усилителей. 4. Транзисторные усилители. 5. Операционные усилители.

2. Составление таблицы Задание Используя полученные знания по теме, самостоятельно заполните таблицу 6. 45

Таблица 6

Область применения

Определение подкласса

Период возникновения

Подкласс

Класс электронных усилителей

Определение класса

Классификация электронных усилителей

3. Решение задач Задание Решите задачи. Выполните расчет параметров электронных усилителей.

Задача № 1: Из расчета усилительного каскада (рис. 11) известно, что ток базы I БО = 50 мкА, ток эмиттера I ЭО = 5 мА, напряжение U БЭ = = 0,8 В, напряжение E K = 10 В. Рассчитайте элементы температурной стабилизации.

Рис. 11. Усилительный каскад с общим эмиттером

Задача № 2: Для транзистора КТ КТ312А 312А статический коэффициент усиления тока базы h21э = 10 : 100. 46

Определите, в каких пределах может изменяться коэффициент передачи тока эмиттера h216.

Задача № 3:

Pd Для транзистораI dКТ КТ339А, 339А, Pd; включенного по схеме с общей I ; U d эмиттера базой, при измененииd тока на 10 мА ток коллектора U P dd изменяется на 9,7 мА.I d Pd ; Id U;d усиления по току для транзистора Определите коэффициент 250 U d Id 2,5 5 ( А). 250 2, в схеме с общим эмиттером. I 2,5 2, 5 ( А).

100 250 100 250 I 2,5 2, ( А). задач d Примеры решения I d P100 2, 2,5 5 (5А). н Задача № 1: I н 100 P; Iн Uн н ; На нижней граничнойUPчастоте двухкаскадного усилителя P н; коэффициент частотных второго каскада М H2 = 1,3 I н I н нискажений ;н U 300 при общем коэффициенте частотных н I н U300 1, 5 ( А). искажений М H = 1,41. 1,усилителя 5 ( А). На средних частотахI нусиление К O = 200 и усиление 200 200 300 второго каскада К O2 =I 10. 300 1, ( А). I н н I 200 1,выходе 55 ( А). Определите напряжение на первого каскада на нижн 200 ; I I д н ней граничной частоте, ; входное напряжение усилителя I д 2если I U = 50 мВ. 2 для всех частот одинаково: I д I н н ; ВХ I д 1, 5;2 Решение: I д 21, 5 0, 75 (А). 0, 75 (Акаскада ). д 2 1. Напряжение на Iвыходе первого на средних часто1, 2 5 1, 5 тах определяем по формуле: (). А). I д I д 2 0, 0, 7575(АUK ВХ O U ВЫХ 2 UK ; UK ВХ O1 ВХ O (6) U ВЫХ UK K O2 ; ВХ O1 UK KВХO 2 O UK U UK ; ВХ O ВЫХ ВХ O 1 U ВЫХ UK ; ВХ O1 K O2 3 200 O 2 1 ( В) U ВЫХ 50 10 3 K200 В).. U ВЫХ 50 10 10 1 ( В) В).. 3 10 200 200 5010103напряжение (на В). В) ВЫХ 50 2. На нижней граничной частоте UU 1М1 ( В) В). . .выходе перВЫХ 10 U ВЫХ ВЫХ1 1 Н 10ВЫХ UU вого каскада определяем U М ВЫХН1 ВЫХН 1 по формуле: ВЫХ1 ВЫХ 1 ВЫХ1 1( Н); UU ВЫХН1 ВЫХН 1 ММ ВЫХ1 ВЫХ 1( Н 2 ); Н1 U МНН2 ММ Н1 1 ВЫХ1 ВЫХ UВЫХ М UU ( ВЫХ1 1 Н ВЫХН1 ВЫХН 1 ВЫХ1 ВЫХ 1 (7) UU );2 ); ВЫХН1 ВЫХН 1 ВЫХ1 ВЫХ 1( ММ Н 1 Н 1,Н41 3 U ВЫХН 1ММ 0,9 92 ( В) В).Н. 2 1, 43 0, ВЫХН1 1 U ВЫХН 11, 3 0,9 0, 92 ( В) В).. ВЫХН1 1 33 1, 4 1, 43 U ВЫХН 0,9 0, ( В) В). ВЫХН1 1 U ВЫХН 1 1 1, 3 0, 0,9 9 29(2В) В). . . ВЫХН1 1 EKR21, 3 U БЭ EKR2; U БЭ RR ; 12 RR EKR 12 2 47 EKR2 ; U БЭ U БЭ ; RR 12 100 10 RR 12 10 100 U БЭ 0, 32 (В) В).. U БЭ 3000 100 0, 32 (В) В).. 3000 10 100 100 U БЭ 10 100 0, 32 (В) В).. d

Id

Pd ; U dI d

Pd ; U d собран по схеме рисунка 12. Усилитель на транзисторе ГТ ГТ308А 308А Задача № 2:

Пользуясь входными и выходными характеристиками транзи250 I d определите 2,5 2, 5 (положение А). стора ГТЗ ГТЗ08А 08А (рис. 13), рабочей точки А, 250 100 I 2,5 2, 5 ( А). d если известно, что R K = 240 Ом, 100 R 1 = 3 кОм, R 2 = 100 Ом, EK = 10 В.

Iн

Pн ; U нI н

Pн ; Uн

300 1,300 5 ( А). 200 Iн 1, 5 ( А). 200 Iн ; Iд Iн 2 Iд ; 2 1, 5 Iд 0,1,755 (А ). 2 Iусилителя 0, (А ). Рис. 12. Схема на75 транзисторе д 2 UK ВХ O U ВЫХ UK ; ВХ O ВХ O1 UK K U ВЫХ UK ; ВХ OO 12 KO 2 3 200 U ВЫХ 50 10 ( В) В).. 3 1200 U ВЫХ 50 10 10 1 ( В) В).. 10 U ВЫХ МН ВЫХ1 1 UU ( ); М Н U ВЫХ ВЫХН1 ВЫХН 1 ВЫХ1 ВЫХ ВЫХ1 1 1 UU ); ММ Н11 Н 2 1( ВЫХН1 ВЫХН ВЫХ1 ВЫХ ММ Н1 б) Н2 а) Iн

Рис. 13. Входные (а) и выходные1,(б) 43характеристики транзистора

U ВЫХН 1 0,9 0, В).. ВЫХН1 1 1, 9 42 3 ( В) 1, 3 U 1 0,9 0, 92 ( В) В).. ВЫХН1 ВЫХН 1 Решение: 1, 3 1. Определяем напряжение смещения базы: EKR2 U БЭ ;EKR2 RR U12БЭ ; RR 12

U БЭ 48

UE KK

IK

10 100 0, 32 (В) В).. 10 100 3000 U БЭ 100 0, 32 (В) В).. 3000 100 10 (В) В);; UE 10 (В) В);; KK

EK ; RKI K

EK

;

(8)

U ВЫХН 1 0, 92 ( В) В).. ВЫХН1 1 1, 43 1, 3 U 1 0, 92 ( В) В).. ВЫХН ВЫХН1 1 1, 4 3 1, 30, 92 ( В) U ВЫХН 1 В).. ВЫХН1 1 1, 3 EKR2 U БЭ ; EKR 2 RR 12 U БЭ ; EKR2 U RR ; 12 БЭ 2. По входной характеристике транзистора при напряжении RR 12 10 100 в рабочей точке: UK = 2,5 В находим токUбазы 0, 32 (В) В).. БЭ 10 100 3000 = 0,6100 мА. I БО U 0, 32 (В) В).. БЭ 10 100 U 0, 32 ( В). В) . 3000 100 БЭ 3. На выходных характеристиках транзистора строим нагру3000 UE 10 ( В); KK при I зочную прямую по точкам = 100 0: K UE 10 ( В); KK UE 10 ( В); KKE K IK ; E R (9) I KKEK K ; IK ;K R R 10 K IK 42 (мА мА). ). 10 240 I K 10 42 (мА мА). ). 24042 (мА IK мА). ). 240А является точкой пересечения При Е = 0. Рабочая точка K

нагрузочной прямой с выходной характеристикой для I = 600 мкА. В рабочей точке А: I KО = 21 мА, U K = 4,7 В.

БО

=

Источники информации: [3, гл. 21, с. 541 – 560]; [4, гл. 19, с. 541 – 559]; [5, с. 98 – 116].

Тема 2.6. Электронные генераторы Краткие теоретические сведения Электронный генератор – электронное устройство, выра батывающее электрические колебания определенной частоты и формы, используя энергию источника постоянного напряжения (тока). Электронные генераторы применяются в радиовещании, медицине, радиолокации, входят в состав аналого-цифровых преобразователей, микропроцессорных систем и т. д. Классификация электронных генераторов: 1) по форме выходных сигналов: – генераторы синусоидальных сигналов; генераторы нераторы сигналов прямоугольной формы (мультиви – ге браторы); – генераторы сигналов линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН) (или генераторы пилообразного напряжения); – генераторы сигналов специальной формы; 49

2) по частоте генерируемых колебаний (условно): – низкой частоты (до 100 кГц); – высокой частоты (свыше 100 кГц); 3) по способу возбуждения: – с независимым (внешним) возбуждением; – с самовозбуждением (автогенераторы). Принцип действия электрического генератора основан на взаимодействии проводника и магнитного поля, в котором он движется. Как всегда приводится классический пример с рамкой в магнитном поле. Когда рамка вращается, ее пересекают линии магнитной индукции, при этом в рамке образовывается электродвижущая сила. Эта ЭДС заставляет ток течь по рамке и с помощью контактных колец попадать во внешнюю цепь. Принцип работы релаксационного генератора основан на том, что конденсатор заряжается до определенного напряжения через резистор. При достижении нужного напряжения открывается управляющий элемент. Конденсатор разряжается через другой резистор до напряжения, при котором управляющий элемент закрывается. Так напряжение на конденсаторе нарастает по экспоненциальному закону, затем убывает по экспоненциальному закону. Вид ВСР: Составление опорного конспекта (4 ч).

Составление опорного конспекта Задание Изучите рекомендуемую литературу по теме и составьте опорный конспект согласно приведенному плану: 1. Назначение электронных генераторов. 2. Блок-схема генератора. 3. Кварцевые генераторы. 4. Мультивибратор. 5. Электронный осциллограф. Источники информации: [3, гл. 21, с. 560 – 583]; [4, гл. 20, с. 560 – 583].

50

Тема 2.7. Микропроцессоры и микро-ЭВМ Краткие теоретические сведения Микро-ЭВМ представляют собой совокупность нескольких интегральных схем с большой степенью интеграции (БИС), взаимодействующих между собой и с внешними устройствами через информационные каналы. Основные элементы микрокомпьютера и связи между ними представлены на рисунке 14.

Рис. 14. Элементы микрокомпьютера и связь

Основным компонентом микро-ЭВМ, выполняющим вычислительные и управляющие функции, является микропроцессор, называемый иногда центральным процессором. Микропроцессоры, выполняемые на кристалле полупроводника, в настоящее время являются наиболее важной продукцией электронной промышленности. Некоторые функции подобных систем первоначально выполняли БИС, которые до появления микропроцессоров находили широкое применение. Микропроцессор способен выполнять самые разнообразные функции. Он осуществляет операцию выполнения последовательности команд (программы), которые хранятся в блоках памяти, связанных с микропроцессором.

51

Компоненты, входящие в состав микропроцессора, пред ставлены на его структурной схеме (рис. 14) 14).. В арифметико-логическом устройстве (АЛУ) выполняются все арифметические и логические операции: сложение, вычитание, а также обработка кодов чисел. Регистры данных используются для промежуточных действий с данными и накопленной информацией, что сокращает число актов передачи информации в память и обратно. Они также обеспечивают передачу процессором данных и их прием в центральный процессор. Адресные регистры предназначены для хранения адресов памяти и связи с регистром данных для их передачи из памяти в интерфейс ввода-вывода и обратно. Блок управления выполняет управление и контроль за правильным исполнением команд. Генератор тактовых импульсов объединен с блоком управления. Его частота определяет оперативную скорость микропроцессора. Команды и данные хранятся в блоках памяти, которые содержат определенное, характеризующее объем памяти число адресов или ячеек. В постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) программы хранятся постоянно. Они могут считываться, но не могут быть стерты. Поскольку в большинстве случаев каждая микро-ЭВМ используется лишь для одной конкретной цели, число про грамм, т. е. комплектов команд, которые необходимо хра нить в памяти, ограничено. Поэтому программы микро-ЭВМ, как правило, хранятся в долговременной памяти, а набор команд неизменен. Требуемые программы «вживляются» в микро-ЭВМ при ее производстве. Необходимые постоянные, такие как справочные данные, также хранятся в ПЗУ, В оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) информация может записываться либо считываться в процессе работы. Данные результаты промежуточных вычислений и т. п. могут быть сохранены в ОЗУ. Центральный процессор в соответствии с программой может считать эти данные или, если требуется, изменить содержимое ячеек ОЗУ. Микро-ЭВМ могут содержать как ОЗУ, так и ПЗУ. Различные постоянные и справочные данные, стандартные программы хранятся в ПЗУ, в то время

52

как ОЗУ содержат параметры программ, которые могут в процессе работы измениться. Интерфейсы ввода-вывода обеспечивают связь между центральным процессором и внешним миром. Цепи интерфейса передают данные от микропроцессора к периферийным устройствам и обратно и, кроме того, преобразуют внешнюю информацию в форму, пригодную для обработки в микро-ЭВМ. Микро-ЭВМ представляет собой устройство, построенное с использованием микропроцессорных интегральных схем, информация между различными функциональными узлами которого передается по шинам управления, адресной и информационной. В микрокомпьютерах, содержащих 88-битовые битовые микропроцессоры, как правило, имеется 8 линий в информационной шине, 16 линий в адресной и 6 – в шине управления. Микропроцессор может выполнять различные функции только в том случае, если он обеспечивается набором команд, называемым программой. Микропроцессор воспринимает информацию, выраженную исключительно в двоичной системе, при этом команды поступают в виде совокупности 1 и 0. Составление программы в двоичном коде трудоемко и чревато ошибками. Поэтому программист, как правило, для составления команд использует обычный язык. Базовым языком для микропроцессоров является так называемый язык ассемблера, в котором используется символический (или мнемонический) код. Каждый микропроцессор имеет свою собственную транслирующую программу на языке ассемблера. В этой символической кодирующей системе команда представляется группой из трех или четырех букв. Например, для микропроцессора МС МС6800 6800 команда ADD используется для обозначения операции сложения, а команда LDAB означает загрузку аккумулятора В (Load Accumulator В). Команды в символическом коде не могут быть восприняты микропроцессором, который работает только в бинарном коде. Программа-транслятор на языке ассемблера преобразует команды так называемой исходной программы, записанные на символическом языке, в бинарные команды объектной программы, которую может выполнить микропроцессор.

53

Таким образом, использование микро-ЭВМ предусматривает два вида обеспечения: схемное (аппаратное), определяющее совокупность электронных элементов и жестких связей между ними в микро-ЭВМ, и программное обеспечение, реализованное с помощью изменяемых пользователем или неизменных хранящихся в ПЗУ наборов команд. Принципиальным преимуществом управления с помощью микро-ЭВМ является его гибкость, позволяющая программно изменять характеристики привода и выполняемые им функции без изменения элементной и схемной основы системы управления. Вид ВСР: Составление опорного конспекта (4 ч).

Составление опорного конспекта Задание Изучите рекомендуемую литературу и составьте опорный конспект в соответствии с планом: 1. Назначение и структура микропроцессора. 2. Суть аппаратного принципа управления операциями микропроцессора. 3. Принцип работы микропроцессора с микропрограммным управлением. 4. Назначение управляющего устройства микропроцессора. 5. Характеристика операционного устройства. Источники информации: [3, гл. 22, с. 610 – 674]; [4, гл. 22, с. 610 – 673]; [10].

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistors – биполярный транзистор с изолированным затвором. АЛУ – арифметико-логическое устройство. БИС – большая интегральная схема. ВАХ – вольт-амперная характеристика. ВБ – вентильный блок. ГБИС – гигабольшая интегральная схема. ГЛИН – генератор сигналов линейно изменяющегося напряжения. ЖК – жидкие кристаллы. ЗУ – запоминающее устройство. ИМС – интегральная микросхема. ИС – интегральная схема. КПД – коэффициент полезного действия. МИС – малая интегральная схема. ОЗУ – оперативное запоминающее устройство. ПЗУ – постоянное запоминающее устройство. РИ – регулируемый инвертор. СБИС – сверхбольшая интегральная схема. СВЧ – сверхвысокая частота. СИС – средняя интегральная схема. СН – стабилизатор напряжения. СПП – силовые полупроводниковые приборы. СТ – силовой трансформатор. УБИС – ультрабольшая интегральная схема. УГО – условно-графическое обозначение. УВЧ – усилитель высоких частот. УНЧ – усилитель низких частот. УПТ – усилитель постоянного тока. ФНЧ – фильтр нижних частот. ФУ – фильтрующее устройство. ЭЛТ – электронно-лучевая трубка.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ Основные источники 1. Фуфаева, Л. И. Электротехника / Л.И. Фуфаева. 2-е е из– 2дание, стереотипное. – Москва : Академия, 2018. – 384 с. 2. Фуфаева, Л. И. Сборник практических задач по электротехнике : учебное пособие для использования в учебном процессе образовательных учреждений, реализующих программы среднего профессионального образования / Л. И. Фуфаева. – 7-е 7е издание, исправленное. – Москва : Академия, 2019. – 288 с.

Дополнительные источники 3. Акимова, Г. Н. Электронная техника / Г. Н. Акимова. – Москва : УМЦ ЖДТ, 2017. 332 с. – 4. Данилов, И. А. Общая электротехника с основами электроники / И. А. Данилов, П. М. Иванов. 6-е е издание. – Мо– 6сква : Высшая школа, 2005. – 752 с. 5. Мартынова, И.О. Электротехника : учебник / И. О. Мартынова. – Москва : КНОРУС, 2017. – 304 с. – (Среднее профессиональное образование). 6. Морозова, Н. Ю. Электротехника и электроника : учебник для студ. учреждений среднего профессионального образования / Н. Ю. Морозова. – Москва : Академия, 2014. – 288 с. 7. ОСТ 11 073.915–2000. Микросхемы интегральные. Классификация и система условных обозначений : отраслевой стандарт / разработан ОАО ЦКБ «Дейтон». 8. Частоедов, Л. А. Электротехника : учебное пособие для студентов техникумов и колледжей железнодорожного транспорта / Л. А. Частоедов. – Москва : Маршрут, 2006. – 319 с.

Электронные ресурсы 9. Circuit Simulator – симулятор электрических схем / / Софт Блог. Бесплатные программы. – URL: https:// blogo bl ogosof soft. t.com/ com/71008. 71008. 10. Акимова, Г. Н. Электронная техника / Г. Н. Акимо ва. – Москва : УМЦ ЖДТ, 2017. – URL: https://umczdt.r u/ books/44/18678. books/ 44/18678. – Режим доступа: платный.

СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ............................................................................... 3 ПЛАН РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСОВ НА САМОСТОЯТЕЛЬНУЮ РАБОТУ ................................................................ 7 МЕТОДИКА ОРГАНИЗАЦИИ ВНЕАУДИТОРНОЙ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ........................................ 11 Составление опорного конспекта ......................................... 11 Ответы на контрольные вопросы .......................................... 12 Составление таблиц ................................................................ 13 Решение задач ......................................................................... 13 Моделирование электрических схем..................................... 15 ПРИМЕРНЫЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ ВНЕАУДИТОРНОЙ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ ........................................ 17 Тема 2.1. Полупроводниковые приборы............................... 17 1. Ответы на контрольные вопросы...................................... 27 2. Составление таблицы ......................................................... 27 Тема 2.2. Интегральные схемы микроэлектроники............. 28 Ответы на контрольные вопросы .......................................... 32 Тема 2.3. Приборы и устройства индикации ....................... 33 Составление таблиц ................................................................ 35 Тема 2.4. Выпрямители и стабилизаторы ............................. 36 1. Ответы на контрольные вопросы...................................... 38 2. Моделирование электрических схем................................. 39 Тема 2.5. Электронные усилители......................................... 43 1. Составление опорного конспекта ..................................... 45 2. Составление таблицы ......................................................... 45 3. Решение задач ..................................................................... 46 Тема 2.6. Электронные генераторы....................................... 49 Составление опорного конспекта ......................................... 50 Тема 2.7. Микропроцессоры и микро-ЭВМ ........................ 51 Составление опорного конспекта ......................................... 54 СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ................................................... 55 СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ................ 56

Ответственная за выпуск Е. В. Калашникова Редактор М. Е. Соловьева Компьютерная верстка М. Е. Соловьевой

Подписано в печать 25.12.2020 Формат 60×90/16. Печ. л. 3,75 ФГБУ ДПО «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте» 105082, Москва, ул. Бакунинская, 71 Тел.: (495) 739-00-30, e-mail: [email protected] http://www.umczdt.ru

Для заметок

Для заметок