Министерство образования и науки,
молодежи и спорта Украины
Государственная летная академия Украины
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И
ЭЛЕКТРОНИКИ
Методические указания
к выполнению
контрольных и расчетно-графических работ
Кировоград
2011
УДК 621.38
ББК 31.2
Авторский коллектив:
Гаврилюк Б.А. – раздел 1
Колоколов П.В., кандидат технических наук – раздел 2
Васильев А.Н. – раздел 3
Основы электротехники и электроники. Методические
указания к выполнению контрольных и расчетно-графических
работ / Гаврилюк Б.А., Колоколов П.В., Васильев А.Н. –
Кировоград: ГЛАУ, 2011. – 80 с.
Ил. 7.
Методические указания предназначены для использования
курсантами при выполнении контрольных и расчетнографических работ по дисциплине «Основы электротехники и
электроники». Включает в себя контрольные задания, вопросы
для самопроверки, примеры расчета. Пользуясь этим
материалом, курсанты смогут самостоятельно выполнить расчет
разветвлённой электрической цепи постоянного тока, расчет
электрических цепей синусоидального тока символическим
методом и расчет однокаскадного транзисторного усилителя
высокой частоты.
Рецензент: Тузов В.А., доцент, кандидат технических наук
Рассмотрено и рекомендовано для издания и использования в
учебном
процессе
решением
кафедры
авиационного
оборудования ГЛАУ, протокол № 2 от 4.10.2011 г.
© Гаврилюк Б.А., Колоколов П.В.,
Васильев А.Н., 2011
Компьютерный набор
Петленко Е.А.
2
СОДЕРЖАНИЕ
Введение
4
Раздел 1 Электрические цепи постоянного тока 4
1.1 Вопросы для повторения по теме 1 4
1.2 Контрольная работа № 1
6
1.3 Краткие теоретические сведения
10
Раздел 2 Электрические цепи однофазного синусоидального
тока 21
2.1 Вопросы для повторения по теме 2 21
2.2 Контрольная работа № 2
23
2.3 Краткие теоретические сведения
26
Раздел 3 Усилители электрических сигналов
38
3.1 Вопросы для повторения по теме 3 38
3.2 Расчетно-графическая работа 39
3.3 Краткие теоретические сведения
43
Библиографическое описание
51
Приложение А Пример расчета и оформления КР № 1
Приложение Б Пример расчета и оформления КР № 2
Приложение В Пример расчета и оформления РГР
Приложение Г Тематический план
53
Приложение Д Перечень контрольных вопросов
54
Приложение Ж Программные вопросы 57
3
ВВЕДЕНИЕ
Текущий контроль работы курсантов над учебным
материалом предполагает выполнение двух контрольных и
одной расчетно-графической работы, включающих наиболее
важные вопросы из трех тем дисциплины «Основы
электротехники и электроники».
При выполнении контрольных и расчетно-графической работ
необходимо
предварительно
тщательно
изучить
соответствующие темы курса.
РАЗДЕЛ 1 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
1 Простейшая электрическая цепь постоянного тока.
Основные соотношения (определение электрической цепи;
внутренняя и внешняя часть цепи; определение силы
постоянного и переменного тока; источники и приемники
электрической энергии; условно положительные направления
тока, ЭДС и напряжения; закон Ома для пассивного участка
цепи и для всей цепи; уравнение электрического состояния
простейшей цепи; работа и мощность источника).
2 Схема неразветвленных цепей постоянного тока (понятие о
схемах замещения и эквивалентных схемах, линейных, простых
и сложных цепях; режимы электрических цепей – холостой ход,
номинальный, согласованный, короткого замыкания).
3 Многоконтурные
линейные
электрические
цепи
(определение ветви, узла, контура; первый и второй законы
Кирхгофа и их применение для расчета цепей).
4 Нелинейные цепи постоянного тока (определение
нелинейной цепи; примеры нелинейных элементов; расчет
методом свертывания).
4
1.1 Вопросы для повторения
1 Что такое электрический ток?
2 Что такое сила и плотность тока? В каких единицах они
измеряются?
3 Какова причина электрического сопротивления?
4 В каких единицах измеряется сопротивление?
5 От чего зависит сопротивление проводника?
6 Что такое удельное сопротивление?
7 Что такое проводимость и удельная проводимость?
8 Какой формулой описывается зависимость сопротивления
проводников от температуры?
9 Чему равно общее сопротивление последовательно
соединенных проводников?
10 Чему равно общее сопротивление параллельно соединенных
проводников?
11 Как распределяются токи в параллельно соединенных
проводниках?
12 Запишите формулы для вычисления работы и мощности
электрического тока.
13 Сформулируйте закон Джоуля-Ленца.
14 Что такое потеря напряжения в линии?
15 Как влияет напряжение в линии электропередачи на потери
мощности в проводах?
16 Что такое ЭДС источника тока?
17 Сформулируйте закон Ома для замкнутой цепи.
18 Сформулируйте первое правило Кирхгофа.
19 Сформулируйте второе правило Кирхгофа.
20 Сформулируйте правило знаков при использовании правил
Кирхгофа.
21 Что такое шунтирование?
22 Чему равны ЭДС и внутреннее сопротивление батареи при
последовательном соединении источников тока?
23 Чему равны ЭДС и внутреннее сопротивление батареи при
параллельном соединении источников тока?
5
1.2 Контрольная работа № 1
Расчет разветвлённой электрической цепи постоянного тока
ВЫБОР ЗАДАНИЯ
Исходные данные для выполнения задания выбираются из
таблицы 1.1 по номеру в списке классного журнала и по двум
последним цифрам зачетной книжки X, Y. Номер варианта
определяется как номер курсанта в списке классного журнала.
Номер схемы определяется как сумма предпоследней Х и
последней Y цифр зачетной книжки Х+Y.
Пример: номер в списке классного журнала – 12;
номер зачетной книжки – 07645.
Исходные данные:
Вариант № 12.
Схема № 4+5 = 9.
Данные для расчета:
Е1=____В, Е2=____В, Е3=____В, Е4=____В, Е5=____В,
Е6=____В.
R1=____Ом, R2=____Ом, R3=____Ом, R4=____Ом,
R5=____Ом, R6=____Ом.
Требуется:
1) Составить систему уравнений методом законов Кирхгофа.
2) Рассчитать токи во всех ветвях схемы методом контурных
токов.
3) Правильность расчёта проверить составлением баланса
мощностей.
6
7
Вариант R6, Ом R5, Ом R4, Ом R3, Ом R2, Ом R1, Ом E6, Ом
1
9
3
2
14
12
10
0
2
12
11
10
9
8
7
0
3
10
8
14
12
7
3
15
4
3
6
5
3
12
2
15
5
14
12
1
5
3
1
7
6
1
3
6
5
15
2
0
7
9
8
7
4
3
2
30
8
2
1
1
15
12
5
40
9
3
3
8
4
2
2
0
10
1
12
2
1
2
1
10
11
1
2
14
5
10
7
0
12
3
12
2
5
3
3
0
13
6
5
3
3
2
2
30
14
10
9
8
7
6
5
10
15
5
5
10
5
10
5
0
16
5
3
8
4
2
2
6
17
3
3
5
3
3
5
3
18
2
3
10
9
8
7
0
19
1
4
3
2
7
3
0
20
5
3
4
1
7
3
0
21
2
3
1
2
2
1
0
22
8
4
8
3
4
3
0
23
9
3
2
14
12
10
10
24
12
10
8
6
4
2
10
25
5
4
8
3
4
3
5
26
4
2
1
1
7
3
20
27
5
3
8
4
2
2
0
28
5
9
8
7
6
5
0
29
8
6
12
14
10
4
30
30
14
8
4
6
12
2
0
Таблица 1.1 – Выбор вариантов задания
E5, В
0
10
10
12
0
0
0
0
10
0
0
2
20
3
10
5
12
0
2
0
10
8
5
30
20
0
0
20
0
20
E4, В
0
25
21
0
0
0
20
30
0
0
3
5
0
5
0
10
10
3
3
5
8
10
5
15
0
0
20
15
20
30
E3, В
3
20
0
0
0
30
0
20
5
0
5
0
10
0
5
0
5
5
5
0
10
3
8
0
0
15
15
0
0
0
E2, В
18
0
0
0
15
20
10
0
10
5
8
0
0
10
0
5
0
8
0
10
3
5
0
0
5
10
10
10
40
15
E1, В
0
0
0
10
5
10
0
0
4
12
4
7
0
0
10
0
0
4
0
4
5
0
0
10
10
5
5
5
0
0
Схема 0; 1
Схема 2
Схема 3
Схема 4
Схема 5
Схема 6
Схема 7
Схема 8
8
Схема 9
Схема 10
Схема 11
Схема 12
Схема 13
Схема 14
Схема 15; 16
Схема 17; 18
9
1.3 Краткие теоретические сведения
Для расчета разветвлённой электрической цепи постоянного
тока с несколькими источниками ЭДС удобно пользоваться
законами Кирхгофа.
Первый закон Кирхгофа
Алгебраическая сумма сил токов, сходящихся в любом узле,
равна нулю:
n
I
i
 0,
i 1
где n – число ветвей, сходящихся в узле. Ветвь – участок цепи с
одним током. Узел - место соединения трех и более ветвей.
Контур – замкнутое очертание участков цепи, проведенное
через несколько ветвей и узлов. Токи, текущие к узлу,
считаются положительными, а токи, текущие от узла –
отрицательными.
Рис. 1.1 – Узел электрической цепи
I1  I 2  I 3  I 4  I 5  0
Второй закон Кирхгофа
В любом замкнутом контуре (рис. 1.2), выделенном в
разветвленной электрической цепи, алгебраическая сумма
произведений сил токов I на соответствующее сопротивление R
10
равна алгебраической сумме всех электродвижущих сил E в
этом контуре (рис.1.2):
n
m
I R  E
i
i
i 1
k
k 1
Рис. 1.2 – Контур, выделенный из разветвленной цепи
Токи считаются положительными, если они совпадают с
условно выбранным направлением обхода контура. ЭДС
считается положительной, если она повышает потенциал в
направлении обхода контура (т.е. направление обхода совпадает
с переходом от отрицательного полюса к положительному).
Направление обхода контура выбирается по часовой стрелке или
против часовой стрелки. Уравнение (1.2) для контура рис. 1.2
будет иметь вид:
I1 R1  I 2 R2  I 3 R3  E1  E2  E3
Для расчета электрической цепи необходимо составить и
решить систему n уравнений для n неизвестных токов, что
может оказаться весьма трудоемкой задачей при большом числе
11
n ветвей схемы. Однако, число уравнений, подлежащих
решению, может быть сокращено, если воспользоваться
специальными методами расчета, к которым относятся
методы контурных токов и узловых потенциалов.
Порядок расчета электрической цепи методом законов
Кирхгофа и методом контурных токов
Дана схема:
Рис. 1.3 – Схема с несколькими источниками
Метод законов Кирхгофа
При расчете электрической цепи составляется общее
количество уравнений по 1-му и 2-му законам Кирхгофа, равное
числу ветвей n (т.е. числу неизвестных токов). Причем сначала
составляется (m - 1 ) уравнение по 1-му закону, остальные - по
второму закону (m - общее число узлов).
Для рассматриваемой схемы, где число ветвей n = 6 число
узлов m = 4, т.е. всех уравнений должно быть 6, из них по 1-му
закону – 3.
12
I1  I 2  I 6  0 

I 4  I5  I6  0
I3  I2  I4  0

 E1   I1 R1  I 5 R5  I 6 R6
по 1-му закону Кирхгофа;


E4  I 3 R3  I 4 R4  I 5 R5
 по 2-му закону Кирхгофа;
E2  E4  I 2 R2  I 6 R6  I 4 R4 

Решение этой системы уравнений позволяет определить все
токи. Для проверки правильности расчета необходимо составить
баланс мощностей. Для этого сравнивают суммарную мощность,
которую выдают источники Рист, с суммарной мощностью,
потребляемой потребителями Рпотр (они должны быть равны):
P
ист
E I  I
  Рпотр ;
i
i
2
i
Ri ;
E1 I1  E2 I 2  E4 I 4  I1 R1  I 2 R2  I 3 R3  I 4 R4  I 5 R5  I 6 R6
2
2
2
2
2
2
Если ток в ветви, в которой есть источник ЭДС, оказался
отрицательным, то это означает, что источник потребляет
энергию (заряжается).
Метод контурных токов
Этот метод позволяет сократить количество уравнений.
Уравнения составляются не для токов в ветвях, а для контурных
токов I11 , I 22 , I 33 , из которых затем определяют токи в ветвях.
Методика составления уравнений:
1 Сначала произвольно направляют токи в ветвях и
обозначают контурные токи для независимых контуров.
2 Составляют уравнения для контурных токов по
определенному правилу:
В левой части уравнения записываем алгебраическую сумму
ЭДС для выбранного контура. В правой части – произведение
контурного тока на сумму сопротивлений, входящих в данный
13
контур, минус произведение контурного тока на сопротивление,
являющееся общим для соседних контуров.
 E1  I11  R1  R5  R6   I 22 R5  I 33 R6


E4  I 22  R3  R4  R5   I 33 R4  I11 R5


E2  E4  I 33  R2  R4  R6   I11 R6  I 22 R4 
Из решения этой системы получают значения I11 , I 22 , I 33 .
3 Из контурных токов находят токи в ветвях:
I1   I11
I2
I3
I4
I5
I6


 I 33


 I 22

 I 22  I 33 
 I11  I 22 

 I11  I 33 
4 Правильность расчета проверяют составлением баланса
мощностей:
Находят мощность источников:
Pист   Ei  I i  E1  I1  E2  I 2  E4  I 4 
Находят мощность потребителей:
Pпотр   I i Ri  I1  R1  I 2  R2 
2
2
2
 I 3  R3  I 4  R4  I 5  R5  I 6  R6 
2
2
2
2
Рассчитывают погрешность:

Pист  Pпотр
Pист
14
 100%  3% .
Вт
Вт
Выбор положительных направлений перед началом расчета
может не определять действительные направления токов в цепи.
Если в результате расчета какой-либо из токов, как и при
использовании уравнений по законам Кирхгофа, получится со
знаком “–”, это означает, что его истинное направление
противоположно ранее выбранному.
Наряду с рассмотренными, имеются также метод узловых
напряжений, метод эквивалентного генератора, метод
наложения (суперпозиции).
15
РАЗДЕЛ 2 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ОДНОФАЗНОГО
СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА
1 Параметры и способы представления гармонических
величин
(определение
переменного
тока;
условно
положительные направления тока и напряжения; мгновенные,
действующие и средние значения; изображение синусоидальных
функций графиками, векторными диаграммами; комплексными
числами; период, частота, угловая скорость, амплитуда,
начальная фаза).
2 Простейшие линейные электрические цепи однофазного
синусоидального тока (активное сопротивление, идеальный
конденсатор и идеальная индуктивность).
3 Амплитудные и фазовые соотношения между током и
напряжением на элементах электрической цепи; уравнение
электрического
состояния;
треугольник
сопротивлений;
активная и реактивная составляющие напряжения; резонанс
напряжений при последовательном соединении R, L, C и
энергетические соотношения; потенциальные диаграммы.
4 Амплитудные и фазовые соотношения между токами и
напряжениями на участках неразветвленной цепи (активные и
реактивные составляющие проводимости, тока; резонанс токов;
коэффициент мощности; улучшение cos).
2.1 Вопросы для повторения по теме 2
1 Какой ток называется переменным?
2 Что такое мгновенное значение ЭДС, тока и напряжения?
3 Что называется фазой?
4 Что называется амплитудой?
5 Что такое частота?
6 Какова связь между периодом и частотой?
7 Дайте определение действующего значения тока и
напряжения.
8 Какое сопротивление называется активным, а какое
реактивным?
9 От чего зависит емкостное сопротивление?
16
10 От чего зависит индуктивное сопротивление?
11 В какой цепи наблюдается резонанс напряжений? Запишите
условие резонанса.
12 В какой цепи наблюдается резонанс токов? Запишите
условие резонанса.
13 Дайте определение полной, активной и реактивной
мощностей.
14 Что такое коэффициент мощности?
15 Как на практике увеличивают коэффициент мощности?
2.2 Контрольная работа № 2
Расчет электрических цепей синусоидального тока
символическим методом
ВЫБОР ЗАДАНИЯ
Исходные данные для выполнения задания выбираются из
таблицы 2.1 по номеру в списке классного журнала и по
последней цифре зачетной книжки Y. Номер варианта
определяется как номер курсанта в списке классного журнала.
Номер схемы определяется по последней Y цифре зачетной
книжки.
Пример: номер в списке классного журнала – 28;
номер зачетной книжки – 07993.
Исходные данные
Схема № 3.
Вариант № 28.
Данные для расчета:
R1=____Ом, R2=____Ом, R3=____Ом,
С1=____мкФ, С2=____мкФ, L1=____мГн, L2=____мГн,
U=____B, F=____Гц.
Требуется:
1) Рассчитать символическим методом токи и напряжения
на всех потребителях.
2) Подтвердить расчет составлением баланса активной и
реактивной мощностей.
17
18
Таблица 2.1. Выбор вариантов задания.
Вариант
f , Гц
U, В
L2, мГн
1
50
36
50
2
50
115
110
3
50
220
120
4
50
110
130
5
50
127
140
6
50
220
160
7
50
36
70
8
50
110
140
9
50
127
150
10
50
220
160
11
50
220
170
12
50
127
180
13
50
36
190
14
50
36
80
15
50
220
90
16
50
110
100
17
50
110
110
18
50
220
120
19
50
220
130
20
50
36
65
21
50
36
140
22
50
110
150
23
50
127
160
24
50
220
170
25
50
110
180
26
50
36
95
27
50
110
100
28
50
220
190
L1, мГн
75
100
150
125
75
150
160
200
250
180
150
110
80
145
160
225
180
200
100
90
150
220
175
200
100
75
175
100
С2, мкФ
100
150
180
125
100
100
150
160
110
130
150
140
100
170
180
100
125
100
225
175
200
150
100
125
225
300
250
165
C1, мкФ
200
200
100
300
200
200
150
300
200
200
150
300
200
200
100
300
200
100
150
300
250
200
150
250
200
250
100
300
R3, Ом
10
40
25
20
5
50
25
20
5
50
25
20
5
40
25
20
5
50
25
20
10
50
25
25
20
40
25
20
R2, Ом
40
30
20
15
15
30
30
15
15
30
35
15
40
30
20
15
15
30
30
15
20
30
25
15
35
30
20
15
R1, Ом
15
20
30
10
40
20
40
10
40
20
40
10
15
20
30
10
40
20
40
20
30
20
40
10
15
20
30
15
Схема № 0; 1
Схема № 2
Схема № 3
Схема № 4
Схема № 5
Схема № 6
Схема № 7
Схема № 8; 9
19
2.3 Краткие теоретические сведения
Сложность расчета цепи переменного тока заключается в том,
что токи и напряжения определяются не только своими
действующими значениями, но и начальными фазами, так что
при расчете приходится учитывать углы сдвига фаз между
отдельными токами и напряжениями.
Для облегчения расчета при любой желаемой точности
служит символический метод. Этот метод основан на
изображении синусоидально – изменяющихся величин
комплексными числами и сведения решения к расчету,
аналогичному расчету цепей постоянного тока.
Каждому вектору на комплексной плоскости соответствует
определенное комплексное число, которое может быть записано в:
показательной a  am e
j
,
тригонометрической a  a cos   ja sin  или
алгебраической a  b  jc - формах.
Переход от одной формы записи синусоидальной величины к
другой осуществляется с помощью формулы Эйлера:
e  cos   j sin  .
j
Действия с комплексными величинами.
а) переход от одной формы записи к другой:
показательная  алгебраическая
a  A cos 
j
Ae  a  jb
b  A sin 
Пример:
I  100e j 30  100cos(30 )  j100sin( 30 )  50 3  j50
б) переход от одной формы записи к другой:
алгебраическая  показательная
20
a  jb  Ae j
b
a
A  a 2  b 2 ;  arctg
u  4  j 8  9e j 64
cos 
sin 
u  4  j8  9e j18064  9e j116
Алгебраические действия
Чтобы сложить или вычесть два комплексных числа нужно
перевести их в алгебраическую форму и сложить отдельно
действительные и мнимые части:
I1  9e  j 64 ;
I 2  2  j 6;
I1  4  j8
I1  I 2   2  j 6    4  j8   6  j 2
Чтобы умножить или поделить два комплексных числа нужно
представить их в показательной форме.
2e j 45  3e  j 30   2  3 e
0
0
0
2e j 45
3e  j 30
0


j 450  300

 6e j15
0
0
 2  j 450  300 
  e
 0,667e j 75
3
в) Дифференцирование и интегрирование
Пусть нужно продифференцировать синусоидально
изменяющуюся величину. Как это будет выглядеть
комплексном виде?
i  I max sin(t   i )  I  Ie j i
UL  L
di

  L I max sin(t   i  )
dt
2
U L   LIe
j
1e

2
 1cos

j ( i  )
2

 21
 LIe
 j1sin

j i
 j
e
j

2
 j LI
–
в
UL  L
di

  L I max sin(t   i  )
dt
2
U L   LIe
j
1e

2
 1cos

j ( i  )
2

2
  LIe
 j1sin

2
j i
e
j

2
 j LI
 j
di
 I  j
dt
1) дифференцирование
синусоидальной
величины
соответствует умножению комплекса действующего значения на
j .
U L  j LI
X L  j L ;
Аналогично
I
j
2) интегрирование синусоидальной величины соответствует
делению комплекса действующего значения на j .
 idt 
Uc 
1
I
1
1
idt U c 
; Xc 
j

c
jc
jc
c ;
т.к.
1
j.
j
Порядок расчета
1) Представляем напряжение источников и сопротивления
потребителей в символической форме ( в виде комплексных
чисел):
u  U  Ue j u
X L  j L
Xc 
1
jc
r r
.
2) Расчет производим в том же порядке, как и для цепей
постоянного тока, только нужно помнить, что производим
действия над комплексными числами.
22
Пример 1
Решение:
U  100e
j0
 100  B  ;
0
X L  j L  j1000  20  10  j 20  Ом  ;
3
XC   j
I
U
Z

1
C
j
1
1000  100  10
U
R  j ( L 
1
C
)
6
  j10  Ом  .
– закон Ома в символической
форме.
U
100
100
100e jo
10  j 28




e  A
Z 20  j 20  j10 20  j10 10 5e j 28
5
10  j 28
10  j 28
200 j 62
U2  I  X L 
e

j 20

e
 20e j 90 
e B
5
5
5
20
jarctg
I
0 j 20 02  202 e
0
23
Uc  I  X c 
10  j 28
e
 (
5
0 j1010 e
Ur  I  r 

j10)
j

10  j 28
100  j118
e
 10e  j 90 
e
 B
5
5
2
10
200  j 28
200  j 28j 28
ee 20
e
[ B]
B 
55
5
Мощность в цепи синусоидального тока
*
*
S  U I  полная мощность, где I
– комплексно-
сопряженный ток.
(Если
I  Ie
 j
P  S cos  – активная,
Q  S sin  – реактивная,
*
S  U I  P  jQ
– полная.
24
*
то
I  Ie  j ).
РАЗДЕЛ 3 УСИЛИТЕЛИ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
Назначение, принцип действия и структура усилителя.
Классификация и основные характеристики. Принцип усиления
электрических сигналов. Усилители мощности и их режимы
работы.
3.1 Вопросы для повторения по теме 3
1 По каким признакам производится классификация
усилителей?
2 В чем состоит принцип усиления электрических
колебаний?
3 Как работает схема УНЧ на транзисторах?
4 Почему частотная характеристика УНЧ имеет "завал" на
низких и высоких частотах?
5 В чем состоит особенность схемы УВЧ?
6 Как работает усилитель мощности высокой частоты?
3.2 Расчетно-графическая работа
Расчет однокаскадного транзисторного
усилителя высокой частоты
Исходные данные:
– транзистор типа 2Т301-А;
– постоянная составляющая тока базы
Iбо = 200 мкА;
– амплитуда переменной составляющей тока базы
Imвх = 50 мкА;
– индуктивность контура, (табл. 3.1)
L =
мкГн;
– напряжение питания коллекторной цепи, (табл. 3.1)
Ек =
В;
– частота принимаемого сигнала, (табл. 3.2)
F0 =
МГц;
25
– активное сопротивление контура, (табл. 3.3)
R =
Ом.
Численные значения L, Ек, F0, R взять из табл. 3.1, 3.2, 3.3
соответственно индивидуальному варианту расчета. Вариант
расчета выбрать по двум последним цифрам номера зачетной
книжки X, Y.
Требуется:
1 Начертить принципиальную схему однокаскадного
транзисторного усилителя высокой частоты с общим эмиттером
(рис. 3.1), объяснить назначение элементов схемы и принцип
усиления транзисторного усилителя.
2 Определить
ёмкость
колебательного
контура
С,
эквивалентное сопротивление контура Rэ, полосу пропускания
2Δf.
3 По выходным характеристикам транзистора (рис. 3.2)
определить амплитуду переменной составляющей тока
коллектора Imк, амплитуду входного напряжения Umк.
4 По входным характеристикам транзистора (рис. 3.3)
определить амплитуду входного сигнала Umвх.
5 Вычислить коэффициенты усиления каскада по току К i, по
напряжению КU и по мощности Кр.
Таблица 3.1 – Исходные данные для расчета задания
Две
Две
последние
последние
L, мГн EК, В
L, мГн
цифры
цифры шифра
шифра
00-10
20
6
51-60
30
11-20
20
7
61-70
35
21-30
25
8
71-80
35
31-40
25
9
81-90
40
41-50
30
10
91-99
40
26
EК, В
11
12
13
14
15
Таблица 3.2 – Исходные данные для расчета задания
Последня
я
цифра
шифра
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
F0, МГц
Предпоследняя цифра шифра
0
1,0
5
1,1
1,1
5
1,2
1,2
5
1,3
1,3
5
1,4
1,4
5
1,5
1
1,5
5
1,6
1,6
5
1,7
1,7
5
1,8
1,8
5
1,9
1,9
5
2,0
2
2,0
5
2,1
2,1
5
2,2
2,2
5
2,3
2,3
5
2,4
2,4
5
2,5
3
2,5
5
2,6
2,6
5
2,7
2,7
5
2,8
2,8
5
2,9
2,9
5
3,0
4
3,0
5
3,1
3,1
5
3,2
3,2
5
3,3
3,3
5
3,4
3,4
5
3,5
5
3,5
5
3,6
3,6
5
3,7
3,7
5
3,8
3,8
5
3,9
3,9
5
4,0
6
4,0
5
4,1
4,1
5
4,2
4,2
5
4,3
4,3
5
4,4
4,4
5
4,5
7
4,5
5
4,6
4,6
5
4,7
4,7
5
4,8
4,8
5
4,9
4,9
5
5,0
8
5,0
5
5,1
5,1
5
5,2
5,2
5
5,3
5,3
5
5,4
5,4
5
5,5
9
5,5
5
5,6
5,6
5
5,7
5,7
5
5,8
5,8
5
5,9
5,9
5
6,0
Таблица 3.3 – Исходные данные для расчета задания
Последня
я
цифра
шифра
0
1
2
3
4
5
6
7
8
R, Ом
Предпоследняя цифра шифра
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
10,
5
11
11,
5
12
12,
5
13
13,
5
14
15
15,
5
16
16,
5
17
17,
5
18
18,
5
19
20
20,
5
21
21,
5
22
22,
5
23
23,
5
24
25
25,
5
26
26,
5
27
27,
5
28
28,
5
29
30
30,
5
31
31,
5
32
32,
5
33
33,
5
34
35
35,
5
36
36,
5
37
37,
5
38
38,
5
39
40
40,
5
41
41,
5
42
42,
5
43
43,
5
44
45
45,
5
46
46,
5
47
47,
5
48
48,
5
49
50
50,
5
51
51,
5
52
52,
5
53
53,
5
54
55
55,
5
56
56,
5
57
57,
5
58
58,
5
59
27
9
14,
5
19,
5
24,
5
29,
5
34,
5
39,
5
44,
5
49,
5
54,
5
59,
5
Рис.3.1 – Принципиальная схема однокаскадного транзисторного
усилителя высокой частоты с общим эмиттером
Uвх – источник переменного напряжения. СР –
разделительный конденсатор, который не даёт постоянной
составляющей тока протекать через источник входного Uвх и
выходного напряжения. R1 и R2 – делитель напряжения, с
которого снимается напряжение смещения и подаётся на базу.
L1 и С1 – элементы одиночного параллельного
колебательного контура, который служит для настройки в
резонанс с частотой входного сигнала. RЭ и Сэ – служит для
стабилизации режима усиления (рабочей точки). Т1 – транзистор
типа n-p-n (с электронной проводимостью) выполняет функции
усилительного элемента, которые основаны на зависимости тока
коллектора Iко от напряжения участка эмиттер-база Uэб.
Незначительные изменения напряжения Uэб приводят к
большим изменениям напряжения на нагрузке. Усилитель,
собранный по схеме с общим эмиттером обладает наибольшим
усилением по мощности.
28
Рис.3.2 – Выходные характеристики транзистора
29
Рис.3.3 – Входные характеристики транзистора
3.3 Краткие теоретические сведения
Задача усиления электрических сигналов часто возникает в
самых различных отраслях науки и техники. Устройства,
предназначенные для выполнения такой задачи, называются
усилителями.
Электронным
усилителем
называется
устройство,
предназначенное
для
увеличения
мощности
входного
электрического сигнала за счет энергии источника питания.
Принцип действия электронного усилителя основан на
преобразовании энергии источника постоянного тока в сигнал
переменного тока, форма которого повторяет вид усиливаемого
сигнала путем изменения внутреннего сопротивления
усилительного элемента.
Усилитель, рис. 3.4, имеет входную цепь, к которой
подключается усиливаемый сигнал, и выходную цепь, с которой
выходной сигнал подается в нагрузку.
Rг
~
ег
iвых
iвх
uвых
Rн
Рис. 3.4 – Блок схема электронного усилителя
В зависимости от назначения усилители подразделяются так:
усилители постоянного тока,
усилители низкой частоты (УНЧ),
усилители высокой частоты (УВЧ),
избирательные усилители,
широкополосные (видеоусилители),
импульсные,
операционные и т.д.
30
Основными параметрами усилителя являются коэффициенты
усиления по напряжению KU, току KI и мощности KP.
Uвых
Iвых
Pвых UвыхIвых
KU 
; KI 
; KP 

Uвх
Iвх
Pвх
UвхIвх
Здесь U, I – действующие значения напряжения и тока.
Для усилителя возможны различные значения коэффициентов
усиления, но принципиально важно то, что коэффициент
усиления по мощности KP больше единицы.
В состав усилителя входит активный или т.н. усилительный
элемент (УЭ), источник питания, нагрузочное сопротивление и
вспомогательные элементы. УЭ подключают определенным
образом к источнику питания, источнику входного
(усиливаемого) сигнала и с помощью вспомогательных
элементов (резисторов, конденсаторов и др.) создают
оптимальный режим работы
(рис. 3.5).
При подаче на управляемый элемент напряжения входного
сигнала в токе выходной цепи создается переменная
составляющая, вследствие чего на управляющем элементе
образуется
аналогичная
составляющая
напряжения,
превышающая переменную составляющую напряжения на входе.
E
uвх
iвых
iвых
R
Iвых п
Uвх п t
uвых
УЭ
t
Um
uвых
uвх
Uвых п
Рис. 3.5 – Структура усилителя
31
t
Ввиду использования для питания источника постоянного
напряжения Е ток iвых в выходной цепи является
однонаправленным, рис. 3.5. При этом ток и напряжение
выходной цепи следует рассматривать как сумму переменных
составляющих,
накладывающихся
на
их
постоянные
составляющие Iвых.п и Uвых.п. Связь между постоянными и
переменными составляющими должна быть такой, чтобы
амплитудные значения переменных составляющих не
превышали постоянных составляющих, т.е. Iвых.п ≥ Im, Uвых.п ≥ Um.
Если эти условия не будут выполняться, ток iвых в выходной
цепи на отдельных интервалах будет равен нулю, что приведет к
искажению формы выходного сигнала.
Таким образом, для обеспечения работы усилительного
каскада при переменном входном сигнале в его выходной цепи
должны быть созданы постоянные составляющие тока Iвых.п и
напряжения Uвых.п. Эту задачу решают путем подачи во входную
цепь каскада помимо усиливаемого сигнала соответствующего
постоянного напряжения Uвх.п.
Постоянные составляющие тока и напряжения определяют
так называемый режим покоя усилительного каскада.
Параметры режима покоя по входной цепи (Iвх.п, Uвх.п) и по
выходной цепи (Iвых.п, Uвых.п) характеризуют состояние схемы в
отсутствие входного сигнала.
В настоящее время в качестве усилительного элемента в
основном применяется транзистор (биполярный, полевой и др.).
Рассмотрим принцип действия и усилительные свойства
биполярного транзистора.
Транзистором называют полупроводниковый прибор с тремя
выводами, имеющий два электронно-дырочных перехода,
которые образованы между тремя областями с чередующимися
типами проводимости. В зависимости от порядка чередования
областей различают транзисторы p-n-p и n-p-n типов (рис.3.6).
Средняя область называется базой (Б). Переход, к которому
приложено прямое напряжение, называют эмиттерным, а
соответствующую наружную область – эмиттером (Э). Другой
32
переход, смещенный в обратном направлении, называют
коллекторным, а соответствующую наружную область –
коллектором (К).
Рис.3.6 – Структура транзистора:
а) р-n-р типа (материал базы из германия Ge,
эмиттер и коллектор из индия In); б) n-p-n типа
Принцип действия биполярного транзистора заключается в
том, что 2 р-n перехода расположены настолько близко друг к
другу, что происходит взаимное их влияние, вследствие чего
они усиливают электрические сигналы.
Как показано на рис. 3.7, это три области – n-, р- и n.(или p-n-p):
– с электронной электропроводностью, (причём сильной) эмиттер (дырочной в p-n-p транзисторе),
– дырочной (электронной в p-n-p транзисторе) - база, и снова
– электронной (дырочной в p-n-p транзисторе), но более
слабой (концентрация электронов (дырок) самая малая) –
коллектор.
Толщина базы, т.е. расстояние между двумя р-n переходами
очень мала (от единиц до десятка мкм). Толщина базы должна
быть не более единиц мкм. Все остальные размеры транзистора
не более примерно 1 мм.
К слоям прикладывают внешнее напряжение так, что
эмиттерный р-n переход смещён в прямом направлении (прямое
напряжение Uбэ), и через него протекает большой ток, а
коллекторный р-n переход смещён в противоположную сторону
33
(обратное напряжение Uбк), так что через него не должен
протекать ток. Однако вследствие того, что р-n переходы
расположены близко, они влияют друг на друга. Введенные в
базу электроны (дырки в p-n-p транзисторе) пытаются
рекомбинировать с дырками (электронами в p-n-p транзисторе)
базы, но так как последних мало, а область базы узкая, то
подавляющее большинство электронов (дырок в p-n-p
транзисторе) успевает пройти через базу и достигнуть
коллекторного p-n перехода, прежде чем произойдет
рекомбинация. Небольшая же часть рекомбинированных
электронов (дырок в p-n-p транзисторе) создает ток базы IБ. Ток
электронов (дырок в p-n-p транзисторе), прошедший из
эмиттерного р-n перехода, протекает дальше, доходит до
коллекторного р-n перехода и электрическим полем последнего
электроны (дырки в p-n-p транзисторе) втягиваются в коллектор,
создавая ток коллектора Iк. В результате у хороших
транзисторов практически весь ток коллектора равен току
эмиттера. Потери тока очень незначительны: проценты и даже
доли процента.
Рис.3.7 – Подключение транзисторов
к источнику питания и принцип действия:
p–n–p типа и n-p–n типа
34
Учитывая небольшой процент электронов (дырок в p-n-p
транзисторе), рекомбинирующих с дырками (электронами в p-np транзисторе) в базе, можно считать, что Iк = Iэ-Iб = αIэ≈Iэ, где
α=0,950.99 – коэффициент передачи тока эмиттера.
Величина тока Iк зависит в основном от напряжения между
базой и эмиттером Uбэ. Графическая зависимость тока Iк от
напряжения Uбэ вольтамперная характеристика (ВАХ)
называется проходной
или
сквозной
характеристикой
транзистора. На рис.5 показан пример ВАХ и указана рабочая
точка «А», положение которой определяется напряжением Uбэо.
Рис.3.8 – Проходная вольт–амперная характеристика транзистора
Как видно из приведенной характеристики, при достаточно
малом изменении напряжения Uбэо±∆Uбэ, получаем значительное
изменение выходного тока. Например, для изменения тока Iк на
15 mA (при работе на линейном участке) достаточно изменить
напряжение Uбэ на 0,2 В.
Если в выходной цепи транзистора установить достаточно
большое сопротивление нагрузки, то на нагрузке можно
получить значительное выходное напряжение. Так при
сопротивлении нагрузки Rн, например в 4 кОм, падение
35
напряжения составит ∆Uвых=∆Iк ∙ Rн = 15 mA∙ 4 кОм = 60 В.
Отношение этого изменения напряжения на выходе транзистора
∆Uвых к вызвавшему его изменению напряжения на входе ∆Uвх
называется коэффициентом усиления усилителя по напряжению
Кн =∆Uвых / ∆Uвх. Коэффициент усиления по напряжению
составит в нашем примере Кн = 60 /0,2 =300.
Таким образом, усилительное свойство транзистора по
напряжению состоит в том, что малым изменением прямого
напряжения между базой и эмиттером ∆Uбэ, можно получить
значительное изменение тока коллектора ∆Iк. А изменение тока
коллектора на большом нагрузочном сопротивлении
Rн
позволяет получить усиленное выходное напряжение.
Усилительное
свойство
транзистора
по
мощности
определяется следующим. Так как коллекторный р-n переход
закрыт для электронов базы и его сопротивление составляет
единицы и десятки кОм, то обратное напряжение на
коллекторном переходе Uбк в десятки раз может превышать
прямое напряжение Uбэ. Произведение данного напряжения на
ток коллектора определяет выходную мощность транзистора,
которое значительно больше произведения малого напряжения
Uбэ на входной ток транзистора Iэ (Iэ≈ Iк).
В зависимости от типа транзистора и схемы его подключения
коэффициенты усиления по напряжению и по мощности могут
составлять от 10 до 1000.
Теперь рассмотрим выходные характеристики n-р-n
транзистора, т.е. ВАХ на коллекторе. Сначала будем считать,
что транзистор включён по схеме с общей базой (рис. 3.9):
Рис. 3.9 – Схема включения транзистора с общей базой
36
Мы видим, что к эмиттерному р-n переходу приложено
прямое смещение: плюс к базовому контакту, а минус к
эмиттерному контакту. К коллекторному р-n переходу
приложено обратное смещение. В этом случае у хорошего
транзистора коллекторный ток лишь незначительно меньше
эмиттерного. Значит, вольамперные характеристики должны
быть горизонтальными:
Рис. 3.10 – Вольтамперные характеристики
Это левый рисунок. Здесь представлены четыре линии для
четырёх токов эмиттера. На самом деле они выглядят немного
не так – см. правый рисунок. Во-первых при отрицательном
напряжении (а это будет прямое смещение для коллекторного рn перехода) ток быстро падает. А при положительном
напряжении токи коллектора всё-таки немного нарастают, что
происходит из-за того, что с ростом напряжения увеличивается
обратное смещение на коллекторном р-n переходе, при этом
увеличивается его область объёмного заряда, а значит
уменьшается нейтральная часть базы. Это и приводит к тому,
что полный коллекторный ток постепенно нарастает. В конце
наступает резкий рост тока, связанный с пробоем коллекторного
р-n перехода.
Чаще используется схема с общим эмиттером (рис. 3.11). В
этом случае кривые немного сдвигаются вправо:
В этом случае в базу и в эмиттер подаются напряжения одного
знака, но в базу подаётся не больше 0,7 В, а в коллектор – 5...15 В.
37
Рис. 3.11 – Схема транзистора с общим эмиттером и его выходные
характеристики
Если в коллекторную цепь включить резистор, то напряжение
будет уменьшаться при больших токах, и может достичь нуля. В
этом случае наступит режим насыщения: напряжение на
коллекторном переходе станет прямым, ток пойдёт из
коллектора в базу и из эмиттера в базу, ток в коллекторной цепи
прекратится, а в базе начнётся накопление электронов. Это так
называемый режим насыщения.
Режим насыщения очень неприятен, так как из-за этого
накопления носителей в базе резко ухудшается быстродействие
транзистора.
В схеме с общей базой этого не происходит.
Нарастание тока коллектора с ростом напряжения на
коллекторе
можно
охарактеризовать
величиной
дифференциального сопротивления коллектора:
rêä 
U ê
I ê
Дифференциальное коллекторное сопротивление у схемы с
общим эмиттером (ОЭ) во много раз меньше, чем у схемы с
общей базой (ОБ).
Три наиболее типичные схемы включения транзистора: с
общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК) и с общей
базой (ОБ). Общим называется тот контакт, который либо прямо
38
связан с землёй, либо через низкое сопротивление источника
питания. А на остальных контактах будут входной и выходной
сигнал.
В схеме ОЭ входной сигнал подаётся на базу, а выходной
сигнал снимается с коллектора. Схема и временные диаграммы,
поясняющие работу транзисторного усилителя с ОЭ
изображены на рис. 3.12.
Рис.3.12 – Схема транзисторного усилителя с
ОЭ и временные диаграммы его работы
Резистор Rк определяет коэффициент усиления по
напряжению и составляет от единиц килоОм до мегоОма (чем
больше этот резистор, тем больше усиление).
Резистор Rэ необходим для термостабилизации транзистора.
Это осуществляется за счёт обратной связи по постоянному
току.
Конденсатор Сэ шунтирует резистор Rэ на рабочих частотах,
так что при переменном сигнале резистора нет. Этот
39
конденсатор – несколько мкФ. Обычно это электролитический
конденсатор.
Ср – разделительные конденсаторы, которые отделяют
постоянную составляющую сигнала на входе и выходе схемы от
внешних сигналов. Обычно это несколько мкФ.
Rб1 – важный резистор, управляющий работой транзистора,
служит для задания рабочей точки. Этот резистор задаёт
постоянную составляющую тока базы. Его значение зависит от
величины Rк .
Rб2 – практически ненужный резистор, просто он ставится для
предохранения транзистора от сгорания. Его значение должно
быть большим, так как стоит он параллельно входу и может его
закоротить. Обычно это 1 или несколько килоОм, так как
входное сопротивление транзистора мало.
Rн – сопротивление нагрузки, лучше, если оно большое, так
как оно подключено параллельно выходу транзистора, и если
оно будет малым, выходной сигнал упадёт.
Uвх – сигнал на входе транзистора.
Обычно
собственно
сопротивления
транзистора
обозначаются малыми буквами:
rб – сопротивление базовой области транзистора, обычно
очень мало – от нескольких Ом до десятков Ом;
rэ – сопротивление эмиттерной области (десятые или сотые
доли Ом) и эмиттерного р-п перехода, обычно смещённого в
прямом напрявлении. При открытом транзисторе это в пределах
10...100 Ом.
В коллекторной цепи транзистора течет ток Iко (рис.3.12),
который создает на нагрузочном сопротивлении Rн падение
напряжения Uко = Iко∙ Rн.
Напряжение входного сигнала амплитудой Uвхm поступает на
вход транзистора. При этом напряжение Uбэ изменяется от Uбэо Uвхm до Uбэо + Uвхm. Изменение напряжения Uбэ, приводит к
изменению тока коллектора (рис.3.12,б). На резисторе Rн падение
напряжения пропорционально изменению Iкm (при условии, если
внутреннее сопротивление источника не шунтирует нагрузку). С
40
коллектора транзистора на разделительный конденсатор Ср
снимается напряжение Uк (рис. 3.12)
Uкm = Ек – Uко – URн = Ек – Iко∙ Rн – Iкm ∙ Rн ,
(1)
где значение Uко = Iко∙ Rн является постоянной составляющей
напряжения в цепи коллектора.
Постоянная составляющая не проходит через разделительный
конденсатор Ср, и амплитуда выходного напряжения
Uвыхm = URн = Iкm ∙ Rн. (2)
Таким образом, на выходе усилителя образуется переменное
напряжение uвых (рис. 3.12, г), амплитуда которого, определяется
величиной тока в коллекторной цепи и сопротивлением
нагрузки. Сопротивление нагрузки R3 переменное. При его
изменении изменяется амплитуда выходного сигнала.
Для нахождения коллекторного напряжения пользуются
графическим методом (рис. 3.13). Нагрузочная прямая
определяется напряжением питания и сопротивлением
коллектора. Две точки, через которые проходит эта прямая, это:
Iк
Uк
0
Eп
Eк/Rк
0
Пересечение нагрузочной прямой с одной из кривых
семейства выходных характеристик транзистора – это и есть
графическое решение задачи.
Рис. 3.13 – Графическое решение задачи
41
В схеме ОК (рис. 3.14) входной сигнал подаётся на базу,
коллектор соединён прямо с источником питания, выходное
напряжение берётся с резистора эмиттера.
Рис. 3.14 – Схема транзисторного усилителя с ОК
Это сильно сказывается на входном сопротивлении схемы. В
схеме с ОК входное сопротивление очень большое (мегаомы), а
выходное сопротивление сильно уменьшается по сравнению с
Rэ, коэффициент усиления меньше 1.
Т.к. у схемы с ОЭ низкое входное сопротивление и высокое
выходное, не получается использовать несколько схем с ОЭ, так
как каждая следующая схема будет закорачивать выходной
сигнал предыдущей. Если же между схемами с ОЭ использовать
схемы с ОК, то высокое выходное сопротивление ОЭ
согласуется с очень высоким входным сопротивлением схемы
ОК, а низкое выходное сопротивление схемы ОК согласуется с
не очень низким входным сопротивлением следующей схемы
ОЭ. Это происходит потому, что при единичном усилении по
напряжению схема с ОК имеет довольно большой коэффициент
усиления по току. Такие схемы называются эмиттерными
повторителями.
Существуют ещё и схемы с общей базой. Они используются
довольно редко.
42
Таблица сравнительных данных по схемам с ОЭ, ОК и ОБ.
Таблица 3.4 – Сравнительные данные по схемам с ОЭ, ОК и ОБ
rвх
rвых
Ku
Ki
Kp
Замечания
ОЭ
среднее
высокое
ОК
очень
большое
очень
низкое
ОБ
малое
очень
высокое
большое большое
Очень
большое
часто использ.
1
большое
большое
не часто
использ.
большое
1
большое
редко использ.
Основными характеристиками каскада являются амплитудная
и амплитудно-частотная (АЧХ). Амплитудная характеристика
определяет зависимость амплитуды или действующего значения
выходного напряжения от амплитуды или действующего
значения входного напряжения при постоянной частоте
входного сигнала. По этой характеристике судят о возможных
пределах изменения входного и выходного сигналов усилителя.
Типичный вид амплитудной характеристики усилителя показан
на рис.3.15.
uвых(t) в точке 2
Uвых
2
3
uвых(t) в точке 3
1
Uвх
Рис. 3.15 – Амплитудная характеристика усилителя и графики
напряжения на выходе усилителя
43
Линейная зависимость между Uвх и Uвых (участок 1-2)
сохраняется до тех пор, пока рабочая точка перемещается
относительно точки покоя П по линейному участку переходной
характеристики усилителя, рис. 3.15. На участке 2-3
пропорциональная зависимость нарушается. Причиной является
ограничение напряжения одной или обеих полуволн выходного
напряжения на неизменном уровне. Ограничение напряжения
одной из полуволн обусловливается перемещением рабочей
точки вдоль линии нагрузки по переменному току в область
начальных участков коллекторных характеристик, а другой
полуволны – перемещением рабочей точки в область отсечки
коллекторного тока.
Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) усилителя
представляет собой зависимость модуля коэффициента усиления
KU от частоты усиливаемого сигнала при неизменном входном
сигнале. Типовая АЧХ усилителя с общим эмиттером и
разделительными конденсаторами изображена на рис. 3.16.
KU Низкие частоты
Средние
частоты
Высокие частоты
KU0
KU0
2
Полоса пропускания ∆f = fв - fн
f
fв
fн
Рис. 3.16 – Амплитудо-частотная характеристика усилителя
Нелинейность АЧХ обусловлена наличием в схеме усилителя
элементов, параметры которых зависят от частоты. В диапазоне
средних частот коэффициент усиления KU0 практически
неизменен. По мере снижения частоты начинает сказываться
увеличение емкостного сопротивления XC 
конденсаторов.
44
1
C
разделительных
Вследствие увеличения падения напряжения на конденсаторе
Ср1 уменьшается напряжение сигнала, поступающего на базу
транзистора от источника входного сигнала. Кроме этого на
нагрузку приходит меньший сигнал из-за увеличения падения
напряжения в Ср2.
На коэффициент усиления в области низких частот оказывает
влияние также конденсатор Сэ. При снижении частоты
шунтирующее действие этого конденсатора ослабляется, что
приводит к возрастанию влияния отрицательной обратной связи
по переменному току и снижению коэффициента усиления
каскада.
Уменьшение коэффициента усиления на высоких частотах
обусловлено снижением коэффициента усиления транзистора β,
наличием межэлектродных емкостей транзистора, влияние
которых заключается в шунтировании соответствующих p-n
переходов тем больше, чем выше частота усиливаемого сигнала.
Диапазон частот, в пределах которого усилитель обеспечивает
заданное значение коэффициента усиления, называют полосой
пропускания. Различают нижнюю fн и верхнюю fв граничные
частоты полосы пропускания, на которых коэффициент усиления
падает в 2 раз. При расчете усилителя выбор конденсаторов
Ср1, Ср2 и Сэ производится таким образом, чтобы их емкостное
сопротивление в диапазоне частот полосы пропускания было
мало и падением напряжения на них можно было пренебречь.
На практике ни один усилитель не используется без обратной
связи. Под обратной связью понимается передача части
электрического сигнала из выходной цепи во входную. В
усилителях в основном используется отрицательная обратная
связь
(ООС),
которая
позволяет
улучшить
многие
характеристики усилителей. Несмотря на снижение общего
коэффициента усиления введение ООС (или увеличение ее
глубины) делает усилитель более стабильным, расширяет его
полосу пропускания, рис. 3.17, и линейный участок амплитудной
характеристики, рис. 3.18.
45
АЧХ без ОС
KU
KU0
KU0
2
∆f
АЧХ с ООС
Kос
Kос
2
f
∆fос
fв
fн ос fн
fв ос
Рис. 3.17 – АЧХ усилителя
Uвых
без ОС
с ООС
Uвх
Рис.3.18 – Выходные характеристики усилителя
Задачей любого усилителя является усиление сигнала с
минимальным или допустимым уровнем его искажения. При
разработке схем усилителей, в зависимости от постановочной
задачи, применяют различные режимы работы: либо режим с
малым уровнем искажения сигнала, но и малым коэффициентом
усиления; либо с большим коэффициентом усиления, но и
сильным уровнем искажений. Тогда в последнем случае
применяют дополнительные способы борьбы с искажениями.
46
Режимы работы определяются положением рабочей точки
«А» на нагрузочной прямой выходных характеристик
транзистора, либо на проходной вольтамперной характеристике
(рис. 3.18). Положение рабочей точки подбирается резисторными
и емкостными элементами, регулирующими постоянное
напряжение Uбэо транзистора.
При малых значениях входного напряжения ВАХ имеет
нелинейный характер (близок к квадратичной зависимости), а
при больших значениях – почти линейная зависимость.
На рис. 3.19 изображены диаграммы работы усилителя в
линейном режиме.
При положении рабочей точки на середине линейного участка
ВАХ, форма выходного сигнала i(t) или iвых полностью
повторяет форму входного u(t) или uвх.
Рис. 3.19 – Диаграммы работы усилителя в линейном режиме
Работа усилителя в линейном режиме, называется режимом «А».
В режиме «А» обеспечивается минимум искажений
усиливаемого сигнала, но коэффициент усиления (по
напряжению) не более 50-80. Кроме того, к.п.д. усилителя,
определяемый отношением выходной мощности (0,5Iкm·Uкm) к
потребляемой мощности (Iко·Uбэо ) меньше 50%.
47
При смещении рабочей точки «А» вниз по ВАХ, величина
постоянной составляющей тока Iко уменьшается, следовательно,
к.п.д. усилителя увеличивается.
При положении рабочей точки «А» на нелинейном участке
(рис. 3.18), приращение тока в положительный и отрицательный
полупериоды колебаний входного сигнала различное (нижняя
часть искажена). Это означает наличие дополнительных
гармонических составляющих, т.е. увеличение нелинейных
искажений.
Рис. 3.20 – Диаграммы работы усилителя в нелинейном режиме
Данный режим работы усилителя именуется режимом «АВ».
С помощью фильтра, стоящего в цепи нагрузки, из всей
совокупности гармонических составляющих, выделяется
составляющая первой гармоники ω0. Все остальные –
подавляются фильтром. Достоинством такого режима является
больший уровень выходного тока, следовательно, больший
коэффициент усиления и по напряжению и по мощности. Кроме
рассмотренных режимов, усилитель может работать в режимах
«В», когда рабочая точка находится в начале координат, режим
«С» – левее начала координат и др.
48
По назначению усилители делятся на усилители напряжения,
тока и мощности. Т.е. они обеспечивают на выходе необходимый
уровень напряжения, тока или мощности (хотя по своей сути все
они являются усилителями мощности).
В усилителе напряжения Rист«Rвх; Rвых«Rн и, в результате,
относительно большие изменения напряжения на нагрузке
обеспечиваются при незначительных изменениях входного и
выходного токов.
В усилителе тока Rист»Rвх; Rвых»Rн и протекание тока
необходимого значения в выходной цепи происходит при малых
значениях напряжения во входной и выходной цепи.
В усилителях мощности Rист=Rвх; Rвых=Rн, за счет чего
обеспечивается максимальная мощность, как во входной, так и в
выходной цепи (согласованный по мощности режим работы).
В зависимости от вида нагрузки усилители делятся на
апериодические и резонансные (полосовые или селективные).
В апериодических усилителях нагрузкой является резистор.
Такие усилители применяются для усиления широкополосных
сигналов. В идеальном случае, коэффициент усиления таких
усилителей постоянный и независим от частоты.
Избирательными, или селективными, называют усилители с
узкой полосой пропускания. Они применяются в том случае,
когда из сложного входного напряжения необходимо выделить
полезный сигнал, подавив остальные сигналы, представляющие
помеху, например при приеме радио- и телепередач, в системах
измерения, автоматического контроля и управления и т. д.
Рис. 3.21 – Структурные схемы избирательных усилителей
с фильтром в прямой цепи (а) и обратной (б)
Уменьшение полосы пропускания усилителя достигается
включением в резонансных усилителях в качестве нагрузки (рис.
3.21, а) или в цепь ОС (рис. 3.21, б) колебательных контуров или
49
полосовых фильтров, настроенных на определенные резонансные
частоты с полосой пропускания в соответствии с поставленными
задачами. Фильтры состоят из соединенных определенным
образом реактивных элементов – индуктивностей и емкостей.
Электрические
фильтры
пропускают
гармонические
составляющие определенного частотного интервала спектра,
называемого полосой прозрачности или полосой пропускания, и
максимально ослабляют (не пропускают) все другие
составляющие. В усилителях первого типа нагрузкой служит
параллельный колебательный контур LC, настроенный на частоту
f0 (рис. 3.22, а), и частотная зависимость коэффициента усиления
совпадает с частотной зависимостью сопротивления контура,
достигая максимального значения Крез на резонансной частоте
(рис. 3.22, б). При резонансе, когда частота усиливаемого сигнала
равна собственной частоте f0 колебательного контура,
сопротивление контура максимальное, и, соответственно, падение
напряжения на контуре максимальное и амплитуда выходного
напряжения также будет максимальной. Поэтому избирательные
свойства колебательного контура в усилителе возрастают.
Модуль
коэффициента
усиления
такого
усилителя
определяется выражением:
K
.
K
1  ( F / f 0 ) 2
Рис. 3.22 – Схема избирательного усилителя с колебательным
контуром (а) и его резонансные характеристики (б)
50
Он снижается при уменьшении добротности Q контура. При
уменьшении добротности контура увеличивается полоса
пропускания усилителя, т. е. снижается его избирательность.
Для расчета параметров колебательного контура
– Емкость С колебательного контура находится из условия
настройки контура в резонанс с частотой f0:
1
C

2
4  f 02 L .
– Эквивалентное
сопротивление
параллельного
колебательного контура на резонансной частоте равно:
RЭ 
–
L

CR .
Полоса пропускания контура определяется по формуле:
f
f R C
2f  0  0

Q
L .
Определение положения рабочей точки на выходных
характеристиках транзистора
Для этого отложить на оси абсцисс величину Uк = Ек =
В.
При пересечении перпендикуляра к оси абсцисс из точки
Uк =
В с характеристикой Imвх = 200 + 50 = 250 мкА = φ (Uк)
при Iб = Iб0 = 200 мкА найти рабочую точку С с координатами
IК0 =
мА, UК0 = ЕК0 =
В.
Для определения второй характерной точки Д на оси
абсцисс найти значения:
Uкmax = Ек + Iк0 Rэ =
Провести нагрузочную прямую через точки С и Д. при
пересечении нагрузочной характеристики с выходной для
Iб = Iб0 - Imвх = 200 – 50 = 150 мкА найти точку В, а при пересечении
нагрузочной
характеристики
с
выходной
для
Iб = Iб0 + Imвх = 200 + 50 = 250 мкА – точку А, координаты которых
характеризуют изменение тока коллектора и напряжения на
коллекторе при изменении тока базы на Imвх = 50 мкА:
IкА =
мА
UкА =
B
51
IкВ =
мА
UкB =
B.
Найти амплитуду переменной составляющей тока коллектора:
I mк 
I кА  I кВ

2
Определение амплитуды выходного сигнала
U mк 
U кВ  U кА

2
.
Определение амплитуды входного сигнала
Для определения амплитуды входного сигнала на входной
характеристике транзистора
найти положение рабочей
точки С’, при Iб = 200 мкА и положения точек:
К при Iб = Iбо - Imвх = 150 мкА и N при Iб = Iбо + Imвх = 250 мкА.
Определить изменение напряжения Uбэ при изменении тока
базы от 150 до 250 мкА, UбК =
мВ, UбN =
мВ.
Амплитуда входного сигнала:
U mвх 
U бN  U бK

2
Расчет
коэффициентов
транзисторного усилителя
усиления
однокаскадного
Коэффициент усиления по току равен:
Ki 
I mK

I mвх
Коэффициент усиления по напряжению равен:
KU 
U mK

U mвх
Коэффициент усиления по мощности равен:
Кр= Кi Ku=
52
Библиографическое описание
1 Электротехника и электроника: Учебник для студ. сред.
проф. образования / Под ред. Петленко Б.И. 3-е изд. стер. –
М.: Издательский центр «Академия», 2007. – 320 с.
2 Колонтаєвський Ю.П., Сосков А.Г. Промислова
електроніка та мікросхемотехніка: теорія і практикум:
Навчальний посібник/ За ред.. А.Г. Соскова. 2-е вид. –
К.: «Каравела», 2004. – 432 с.
3 Паначевний Б.І., Свергун Ю.Ф. Загальна електротехніка:
Підручник. 2-ге вид. – К.: Каравела, 2007. – 296 с.
4 Електроніка i мікросхемотехніка: Підручник для студентів
вищих навчальних закладів, що навчаються за напрямками
«Електромеханіка» та «Електротехніка». У 4-х т. / В. I. Сенько,
М.В. Панасенко, Е.В. Сенько та ін. / За ред. В.I. Сенька. –
К.: Обереги, 2000.
5 Электротехника
и
электроника
/
Бечева М.К.,
Златенов И.Д., Новиков П.Н., Шапкин Е.В. – М., 1991. – 224 с.
6 Руденко Н.С. Электрические цепи постоянного тока и
магнитные цепи: Методические указания. – Кировогрнад:
КВЛУГА, 1987.
7 Руденко Н.С., Сирык М.М. Однофазные цепи
синусоидального тока: Методические указания. – Кировоград,
КВЛУ ГА, 1988.
8 Руденко Н.С., Сирык М.М. Трехфазные цепи:
Методические указания. – Кіровоград: КВЛУГА, 1987.
9 Электрические
сигналы
и
их
преобразования:
Методические указания для выполнения лабораторных работ /
Составители: Хафизов А.В., Смирнова И.Л., Романенко М.Г. –
Кировоград: ГЛАУ, 2010. – 83 с.
10 Авиационные антенны и особенности распространения
радиоволн: Методическое пособие. Сост.: Калмыкова В.И. –
Кировоград: ГЛАУ, 2010. – 45с.
11 Электрические цепи постоянного и переменного тока:
Учебно-методическое пособие / Астафьев А.А., Гаврилюк Б.А.,
Тузов В.А. – Кировоград: ГЛАУ, 2008. – 56 с.
12 Основи авіаційної радіоелектроніки: Навч.посіб. / Смирнова
І.Л., Колоколов П.В. / 1-е вид. – Кіровоград, 2009. – 112 с.
53
13 Основи радіоелектроніки: Методичний посібник /
Смирнова І.Л. – Кіровоград: Вид-во ДЛАУ, 2008. – 61 с.
14 Методическая разработка “Электроника”: Указания к
выполнению лабораторных работ. Под ред. Осадчего В.И. –
Кировоград: КВЛУГА, 1991.
15 Методическая разработка “Радиотехника”. Указания к
выполнению лабораторных работ. Под ред. Осадчего В.И. –
Кировоград: КВЛУГА, 1991.
16 Методические указания к выполнению расчетнографических работ по курсу “Радиоэлектроника”. Под ред.
Осадчего В.И. – Кировоград: ГЛАУ, 1997.
17 Астафьев
А.А.,
Гаврилюк
Б.А.,
Тузов
В.А.
Электротехника.
Электрические
цепи
постоянного
и
переменного тока: Учебно-методическое пособие к выполнению
лабораторных работ. – Кировоград: ГЛАУ, 2008.
18 Руденко Н.С., Астафьев А.А. Электрические машины
постоянного тока: Методические указания. – Кировоград:
ГЛАУ, 1996.
19 Руденко Н.С. Трансформаторы и асинхронные двигатели:
Методические указания. – Кировоград: ГЛАУ, 1998.
20 Тузов В.А., Гаврилюк Б.А., Астафьев А.А., Смирнов В.В.
Электрические цепи и машины постоянного тока: Методические
указания к выполнению лабораторных работ. – Кировоград:
ГЛАУ, 1995.
21 Гаврилюк Б.А., Руденко Н.С., Тузов В.А. Методы расчета
электрических цепей постоянного тока: Методические указания
к практическим занятиям по курсу «Электротехника». –
Кировоград: КВЛУ ГА, 1986.
22 Гаврилюк Б.А., Руденко Н.С., Тузов В.А. Методы расчета
электрических цепей синусоидального тока: Методические
указания к практическим занятиям по курсу «Электротехника».
– Кировоград: КВЛУ ГА, 1987.
23 Авиационная радиоэлектроника. /Под ред. Н.Н. Крылова. –
М.: Машиностроение, 1984.
54
ПРИЛОЖЕНИЕ А
ПРИМЕР РАСЧЕТА И ОФОРМЛЕНИЯ КР № 1
Министерство образования и науки,
молодежи и спорта Украины
Государственная летная академия Украины
Кафедра “Авиационного оборудования ”
Контрольная работа № 1
«Расчет разветвлённой электрической
цепи постоянного тока»
По дисциплине:
«Основы электротехники и электроники»
Выполнил:__________________
Группа:__________________
Проверил:__________________
Кировоград 2011
55
Продолжение приложения А
Цель работы:
1) Составить систему уравнений методом законов Кирхгофа.
2) Рассчитать токи во всех ветвях схемы методом контурных
токов.
3) Правильность расчёта проверить составлением баланса
мощностей.
Дано:
Е1=12В;
Е2=5В;
Е3=12В;
Е4=0В;
Е5=0В;
Е6=10В;
R1=1 Ом;
R2=2 Ом;
R3=1 Ом;
R4=2 Ом;
R5=12 Ом;
R6=1 Ом
56
Продолжение приложения А
Перерисуем схему с учетом того, что ЭДС. Е4 и Е5 равняются
нулю:
Проставим на схеме произвольно направления токов в ветвях.
Пусть направление токов в ветвях совпадает с направлением
ЭДС в данной ветви.
1 Составим уравнения для расчета
электрической цепи методом законов Кирхгофа
Всего необходимо составить 6 уравнений, так как в схеме 6
неизвестных.
1) По первому закону Кирхгофа необходимо составить (n - 1)
уравнений, где n – это число узлов электрической схемы. Так
как в нашей схеме 4 узла, то необходимо составить по первому
закону Кирхгофа 3 уравнения. Токи, текущие к узлу, считаем
положительными, а токи, текущие от узла, отрицательными.
Алгебраическая сумма сил токов, сходящихся в любом узле,
равна нулю:
для
для
для
узла
узла
узла
a)
b)
c)
57
I1  I 6  I 2  0;
I 2  I 3  I 4  0;
I 4  I 5  I 6  0;
2) Недостающее число уравнений составляют по второму
закону Кирхгофа.
Выбираем независимые контуры и направления их обходов.
Направление обхода контуров выбираем по часовой стрелке.
Записываем уравнения по второму закону Кирхгофа для
выбранных независимых контуров. В любом замкнутом
контуре, выделенном в разветвленной электрической цепи,
алгебраическая сумма произведений сил токов I на
соответствующее сопротивление R равна алгебраической сумме
всех электродвижущих сил Е в этом контуре:
для
контура
1)
 E2  E6   I 2 R2  I 4 R4  I 6 R6 ;
для
контура
2)
E6  E1  I 5 R5  I 6 R6  I1 R1 ;
для
контура
3)
 E3  I 4 R4  I 3 R3  I 5 R5 ;
2 Рассчитаем токи во всех ветвях схемы
методом контурных токов
Перерисуем схему и проставим произвольно направления
контурных токов в контурах и токи в ветвях. Удобно ток в
ветви, содержащей источник ЭДС, направить по направлению
ЭДС, а все контурные токи выбрать в одном направлении
(например: все по часовой стрелке).
58
Продолжение приложения А
1) Выбираем независимые контуры:
11) R2, E2, R6, E6, R4;
22) R1, E1, R5, R6, E6;
33) R3, E3, R4, R5.
2) Полагаем, что в каждом контуре течет свой контурный ток:
I11, I22, I33.
3) Выбираем направления контурных токов по часовой
стрелке.
4) Записываем уравнения по второму закону Кирхгофа
относительно контурных токов, для выбранных независимых
контуров:
для тока I11: I11 (R2 + R4 + R6) - I22R6 - I33R4 = - E2 - E6;
для тока I22: I22 (R1 + R5 + R6) - I11R6 - I33R5 = E6 - E1;
для тока I33: I33 (R3 + R4 + R5) - I11R4 - I22R5 = - E3;
5) Подставим вместо ЭДС и сопротивлений их значения:
I11 (2  2  1)  I 221  I 33 2  5  10;
I 22 (1  12  1)  I111  I 3312  10  12;
I 33 (1  2  12)  I11 2  I 2212  12;
I11 5  I 221  I 33 2  15;
I 2214  I111  I 3312  2;
I 3315  I11 2  I 2212  12;
I11 5  I 221  I 33 2  15;
 I111  I 2214  I 3312  2;
 I11 2  I 2212  I 3315  12;
6) Составим матричное уравнение:
 5  1  2   15
 1  14  12    2  ;

 

 2  12  15  12
7) Решаем полученную систему уравнений через определители:
59
Продолжение приложения А
Главный определитель:
 5  1  2 
   1  14  12   1050  24  24  56  15  720  211;
 2  12  15
Вспомогательный определитель 1:
 15  1  2 
1   2  14  12   3150  144  48  336  30  2160  1548;
 12  12  15
Вспомогательный определитель 2:
 5  15  2 
 2   1  2  12   150  360  24  8  225  720  1471;
 2  12  15
Вспомогательный определитель 3:
 5  1  15 
 3   1  14  2   840  4  180  420  12  120  1552;
 2  12  12 
Решив эту систему уравнений, получим:

I11  1  7,3365 A;

I 22  2  6,9716 A;

I 33  3  7,3555 A;
8) Теперь найдем токи в ветвях схемы, зная контурные токи:
I1   I 22  6,9716 A;
I 2   I11  7,3365 A;
I 3   I 33  7,3555 A;
I 4  I 33  I11  0, 019 A;
I 5  I 22  I 33  0,3839 A;
I 6  I 22  I11  0,3649 A.
60
Окончание приложения А
9) Правильность расчета проверим составлением баланса
мощностей.
На основании закона сохранения энергии количество теплоты
выделяющиеся в единицу времени на резисторах должно
равняться энергии, доставляемой за это же время источниками
энергии:
E  I  I
i
Pист
i
2
i
 Ri .
Найдем мощность источников:
  Ei  I i  E1  I1  E2  I 2  E3  I 3  E6  I 6 
 12  6,9716  5  7,3365  12  7,3555  10  0,3649 
 83, 6592  36, 6825  88, 266  3, 649  212, 2567 Вт.
Найдем мощность потребителей:
Pпотр   I i2 Ri  I12  R1  I 22  R2  I 32  R3  I 42  R4  I 52  R5  I 62  R6 
 (6,9716) 2 1  (7,3365) 2  2  (7,3555) 2 1  (0, 019) 2  2 
(0,3839) 2 12  (0,3649) 2 1  48, 60320656  107, 6484645 
54,10338025  0, 000722  1, 76855052  0,13315201 
 212, 25747584 Вт.
Рассчитаем погрешность:

Pист  Pпотр
Pист
 100% 
212, 2567  212, 25747584
212, 2567
 100%  0, 0003655%
ПРИМЕЧАНИЕ: Систему уравнений удобно рассчитать
также с помощью специальных программ на персональном
компьютере.
61
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
ПРИМЕР РАСЧЕТА И ОФОРМЛЕНИЯ КР №2
Министерство образования и науки,
молодежи и спорта Украины
Государственная летная академия Украины
Кафедра “Авиационного оборудования ”
Контрольная работа № 2
«Расчет электрических цепей
cинусоидального тока символическим
методом»
По дисциплине:
«Основы электротехники и электроники»
Выполнил:__________________
Группа:__________________
Проверил:__________________
Кировоград
2011
62
Продолжение приложения Б
Цель работы:
1) Рассчитать символическим методом токи и напряжения на
всех потребителях.
2) Подтвердить расчет составлением баланса активной и
реактивной мощностей.
Дано:
R1 = 20 Ом
R2 = 30 Ом
R3 = 50 Ом
C1 = 200 мкФ
L1 = 150 мГн
L2 = 160 мГн
U = 220 В
f = 50 Гц
63
Продолжение приложения Б
1 Определим реактивные сопротивления ветвей:
X L1  2 fL1  2  3,14  50 150 10 3  47,1 Ом
X L 2  2 fL2  2  3,14  50 160 103  50, 24 Ом
1
1
X C1 

15,92 Ом
2  f C1 2  3,14  50  200 106
2 Найдем полное сопротивление ветви, содержащей
сопротивления R3 и XC1 (эти сопротивления соединены
последовательно):
Z1  R3  j X C1  50  j15,92  52, 47 e j17 30 Ом .
3 Найдем полное сопротивление ветви, содержащей
сопротивления R1 и XL1 (эти сопротивления соединены
последовательно):
o
Z 2  R1  j X L1  20  j 47,1  51,17e j 67 Ом .
4 Перерисуем схему, заменив отдельные сопротивления
полными:
o
5 Сопротивления XL2 и Z1 соединены параллельно, поэтому
эквивалентное сопротивление Z3 равно:
64
Z3 

Z1  X L 2
Z1  X L 2
2636,1 e j 72
60, 65e
o
Продолжение приложения Б
o
o
o
52, 47 e  j17 30  50, 24e j 90
2636,1 e j 72 30



50  j15,92  j 50, 24
50  j 34,32
30
j 34o 30
 43, 46e j 38 Ом .
o
6 Сопротивления Z2 и Z3 соединены последовательно:
o
o
Z 4  Z 2  Z3  51,17e j 67  43, 46e j 38  20  j 47,1  34, 24  j 26, 76 
54, 24  j 73,86  91, 64e j 54 Ом.
o
65
Продолжение приложения Б
7 Эквивалентное сопротивление будет равно:
Z экв

R2  Z 4
30e j 0  91, 64e j 54
2749, 2e j 54




R2  Z 4 30  54, 24  j 73,86 84, 24  j 73,86
2749, 2e j 54
o
o
o
o
o
 24,54e j13 Ом.
o
112, 03e j 41
8 Определим токи во всех ветвях и ток источника:
o
o
U
220e j 0
I1 

 2, 4e  j 54 ( А);
j 54o
Z 4 91, 64e
o
o
U 220e j 0
I2 

 7,33e j 0
j 0o
R2
30e
( А).
9 Для определения токов I 3 , I 4 найдем напряжение U ab :
U ab  I1  Z3  2, 4e j 54  43, 46e j 38  104,3e j16 ( B);
o
o
o
o
U ab
104,3e j16
I3 

 1,99e j1 30
 j17o 30
Z1 52, 47 e
o
( A);
o
U
104,3e j16
I 4  ab 
 2, 08e j106
j 90o
X L 2 50, 24 e
o
( A).
o
U
220e j 0
 j13o
Ток источника I ист 

( A).
o  8,96e
Z экв 24,54e j13
10 Правильность расчета токов проверим по балансу
мощностей.
Мощность источника.
*
*
S  U  I , где I  сопряженный комплекс тока.
*
S  U  I  220e j 0  8,96e j13  1971, 2e j13 ( BA);
0
0
0
S  1920, 7  j 443, 4( BA);
Pист  1920, 7 Вт;
Qист  443, 4 Bар.
66
Окончание приложения Б
Мощность потребителей:
Активная:
P1  I12 R1  2, 42  20  115, 2 ( Вт);
P2  I 22 R2  7,332  30  1611,86 ( Вт);
P3  I 32 R3  1,992  50  198 ( Вт);
P
пот
 1925,1 ( Вт);
Рист  Рпот .
Реактивная:
Q1  I X L1  2, 4  47,1  271,3 (вар);
2
1
2
Q2   I 32 X C1  1,992 15,92  63 (вар);
Q3  I 42 X L 2  2, 082  50, 24  217, 4 (вар);
Qпот  Q1  Q2  Q3  271,3  63  217, 4  425, 7 (вар);
Qист  Qпот .
11 Найдем падение напряжения на всех участках:
o
o
U R1  I1 R1  2, 4e  j 54  20  48e  j 54 ( B);
U R 2  I 2 R2  U  220e j 0
U 3  I 3 R3  1,99e
j1 30
o
o
( B );
 50  99,5e j1 30
o
( B );
U L1  I1 X L1  2, 4e  j 54  47,1e j 90  113, 04e j 36
o
o
o
( B);
U L 2  I 4 X L 2  2, 08e  j106  50, 24e j 90  104, 49e  j16
o
U C1  I 3 X C1  1,99e
j1 30
o
o
15,92e  j 90  31, 68e
o
67
 j 88 30
o
o
( B );
( B).
ПРИЛОЖЕНИЕ В
ПРИМЕР РАСЧЕТА И ОФОРМЛЕНИЯ РГР
Министерство образования и науки,
молодежи и спорта Украины
Государственная летная академия Украины
Кафедра “Авиационного оборудования ”
Расчётно-графическая работа
«Расчет однокаскадного транзисторного
усилителя высокой частоты»
По дисциплине:
«Основы электротехники и электроники»
Выполнил:__________________
Группа:__________________
Проверил:__________________
Кировоград
2011
68
Продолжение приложения В
Произвести расчет однокаскадного транзисторного
усилителя высокой частоты.
Исходные данные:
– транзистор типа 2Т301-А;
– постоянная составляющая тока базы Iбо= 200μkA;
– амплитуда переменной составляющей тока базы
Imвх=50μkA;
– индуктивность контура L = 20μkГн;
– частота принимаемого сигнала f0=1,1MГц;
– активное сопротивление контура R = 10,5 Ом;
– напряжение питания коллекторной цепи ЕК= 6 В.
Принципиальная схема однокаскадного транзисторного
усилителя высокой частоты с общим эмиттером
69
Продолжение приложения В
Принцип действия транзисторного усилителя с общим
эмиттером основан на управлении большим током коллектора с
помощью малого тока базы. Если в цепь базы включить
источник сигнала, то такой же сигнал, но уже значительно
усиленный выделится на нагрузке в коллекторной цепи.
В неперестраиваемых усилителях высокой частоты
используется очень часто узкополосное усиление. Это
достигается применением в качестве нагрузки усилительного
каскада
колебательного
контура,
образованного
индуктивностью L и конденсатором С1. Полное сопротивление
параллельного контура на резонансной частоте имеет максимум
и уменьшается по мере отклонения частоты сигнала от
резонансной.
В этой схеме сопротивления R1 и R2, подключенные к
источнику питания ЕК составляют делитель напряжения.
Напряжения, снимаемые с R1 и R2, используются для питания
эмитерного
и
коллекторного
переходов
транзистора.
Стабилизация режима работы транзистора осуществляется за
счет введения в цепь эмиттера сопротивления RЭ. Падение
напряжения на этом сопротивлении, пропорциональное току
эмиттера, является обратным для перехода эмиттер – база. Тем
самым в схеме устанавливается отрицательная обратная связь по
постоянному току, которая автоматически стабилизирует режим
работы усилителя при изменении параметров транзистора. Для
устранения отрицательной обратной связи по переменному току,
снижающей коэффициент усиления, сопротивление RЭ
шунтируется
конденсатором
СЭ.
Конденсатор
СР
разделительный. Он устраняет гальваническую связь с
источником входного сигнала.
1 Расчет параметров колебательного контура:
– из условий настройки контура в резонанс с частотой f0
емкость С колебательного контура равна:
C
1
1

 1,046  109 Ф  1,046 рФ;
2
2
2
6

6
4 f 0 L 4   3,14   1,1  10   20  10
2
70
Продолжение приложения В
– эквивалентное
сопротивление
параллельного
колебательного контура на резонансной частоте:
RЭ 
2
R

L
20  106

 1820  1,82к;
C  R 1,046  109  10,5
– полоса пропускания контура:
2  f 
f 0 f 0  R f 0  R  C 1,1  106  10,5  1,046  109



 83528 Гц  83,528кГц,
Q

L
20  106
где Q – добротность контура;
ρ- волновое сопротивление.
2 Определим положение рабочей точки на выходных
характеристиках транзистора:
Для нахождения рабочей точки А отложим на оси абсцисс
величину Uк=Ек= 6 В. При пересечении перпендикуляра к оси
абсцисс из точки Uк= 6 В с характеристикой Iк = φ(Uк) при Iб =
Iбо = 200 μкА найдем рабочую точку А с координатами Iко= 3,25
mA, Uко = 6В.
Для нахождения второй точки D найдем значение
U К max  EК  I КO  RЭ  6  3,25  103  1820  11,92 В.
71
Продолжение приложения В
Проведем нагрузочную характеристику через эти две точки.
При пересечении нагрузочной характеристики с выходной
для Іб = Ібо- Іm вх= 200 –50 = 150 μкА найдем точку С, а при
нагрузочной характеристике с выходной для Іб = Ібо+ Іm вх= 200 +
+ 50 = 250 μкА – точку В, координаты которых характеризуют
изменение тока коллектора и напряжения на коллекторе при
изменении тока базы на Іm вх = 50 μкА:
IКВ = 3,95 mA
UKB = 4,97 B;
IKC = 2,25 mA
UKC =7,8 B.
Найдем амплитуду переменной составляющей тока
коллектора:
Im К = (IКВ - IKC)/2 = (3,95 – 2, 25)/2 = 0,85mA.
3 Определим амплитуду выходного сигнала:
Um K = (UKC - UKB)/2 = (7,8 – 4,97)/2 = 1,415 В
4 Для определения амплитуды входного сигнала обратимся к
входным характеристикам транзистора Iб = φ(Uбэ) при UК =
const.
72
Окончание приложения В
На характеристике Iб = φ(Uбэ) при UK = 6 B найдем положение
точки С' при Iб = 200 μкА, и положения точек К при Iб = Iбо – Im вx =
= 150μкА и N при Iб = Iбо + Im вx = 250 μкА.
Определим изменение напряжения Uбэ при изменении тока
базы от 150 до 250μкА, UбК = 0,692 B, UбN = 0,725B.
Амплитуда входного сигнала:
Um вх = (UбN - UбК)/2 = (0,725 – 0,692)/2 = 0,0165 В = 16,5 mB.
5 Рассчитаем коэффициенты усиления для однокаскадного
усилителя:
- по току:
I mк 0,85 103
Ki 

 17;
I mвx
50 106
- по напряжению:
KU 
U mK
1, 415

 86;
U mвх 16,5 103
- по мощности:
КР = Кi · KU = 17 · 86 = 1462.
73
№
темы
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
Приложение Г
Тематический план
Название темы
Электрические цепи постоянного тока.
Магнитное поле и магнитные цепи.
Электрические цепи переменного синусоидального
тока.
Электрические цепи переменного трехфазного тока.
Электроизмерительные приборы непосредственной
оценки. Методы измерений.
Трансформаторы.
Электрические машины постоянного тока.
Асинхронные двигатели.
Синхронные машины.
Полупроводниковые приборы.
Усилители электрических сигналов.
Автогенераторы гармонических сигналов.
Модуляция. Виды модуляции.
Радиоволны и антенны авиационных устройств.
74
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
Приложение Д
Перечень контрольных вопросов
Сформулируйте закон Ома для участка и всей цепи.
Напишите уравнение электрического состояния простой
цепи.
Назовите режимы работы электрической цепи.
Сформулируйте первый и второй законы Кирхгофа.
Что такое ветвь, узел, контур?
Какие цепи называются нелинейными?
Дайте определение магнитной индукции, напряженности
магнитного поля и магнитного потока.
Дайте определение петли гистерезиса.
Объясните закон полного тока.
Объясните закон для однородной и неоднородной магнитной
цепи.
Объясните электромеханическое действие магнитного поля.
Сформируйте закон электромагнитной индукции.
Что такое переменный ток?
Определите
соотношение
между
амплитудным
и
действующим значениями переменного тока.
Что такое сдвиг фаз между током и напряжением на
активном и реактивном сопротивлении?
Объясните условие резонанса напряжений в цепи с
последовательным соединением элементов.
Объясните условие резонанса токов в цепи с параллельным
соединением элементов.
Что такое коэффициент мощности?
Отобразите в виде графиков систему трехфазных ЭДС.
Отобразите схемы соединения обмоток трехфазного
генератора.
Объясните соотношение между фазными и линейными
токами и напряжениями в трехфазных цепях.
Объясните значение нейтрального провода при соединении
приемников “звездой”.
Что такое заземление и зануление в трехфазных цепях?
75
Продолжение приложения Д
24 Что такое абсолютная и относительная погрешность
измерений?
25 Объясните
построение
магнитоэлектрических,
электромагнитных
и
индукционных
измерительных
устройств.
26 Как измеряются сопротивления при помощи вольтметра и
амперметра?
27 Как измеряются сопротивления мостовым устройством и
логометром?
28 Объясните принцип действия трансформатора.
29 Что такое коэффициент трансформации?
30 Для чего проводят опыты холодного хода и короткого
замыкания трансформатора?
31 Объясните конструкцию трехфазного трансформатора.
32 Объясните устройство машины постоянного тока.
33 Выведите формулу для ЭДС якоря.
34 Назовите способы возбуждения генератора постоянного тока.
35 Что такое реакция якоря?
36 Выведите формулу для электромагнитного момента машины
постоянного тока.
37 Как осуществляется пуск двигателя постоянного тока?
38 Как осуществляется реверсирование двигателя постоянного
тока?
39 Выведите формулу для механической характеристики
двигателя постоянного тока.
40 Объясните принцип действия асинхронного двигателя.
41 Что такое скольжение?
42 Как получить вращающее магнитное поле?
43 Объясните
устройство
асинхронного
двигателя
с
короткозамкнутым и фазным ротором.
44 Для чего включают активное сопротивление в цепь ротора
асинхронного двигателя?
45 Перечислите способы регулирования скорости вращения
асинхронного двигателя.
76
Окончание приложения Д
46 Как изменить направление вращения асинхронного
двигателя?
47 Объясните устройство и принцип действия синхронного
двигателя.
48 Что такое электронно-дырочный переход и его вольтамперная характеристика?
49 Объясните назначение, принцип действия и характеристики
транзистора.
50 Объясните назначение и принцип действия усилителя
электрических сигналов.
51 Расскажите об усилителях мощности и режимах их работы.
52 Что называется модуляцией? Виды модуляции.
53 Объяснит принцип действия автогенератора.
54 Что называется длиной волны? Перечислите основные
свойства радиоволн.
55 Назовите диапазоны радиоволн.
56 Объясните
особенности
распространения
радиоволн
различных диапазонов.
57 От чего зависит форма диаграммы направленности антенны.
58 Назовите основные характеристики антенны. Дайте их
определение.
59 Назовите типы антенн, которые используются в авиации.
77
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
Приложение Ж
Программные вопросы
Электрические цепи постоянного тока. Режимы работы.
Закон Ома. Мощность источника и потребителя.
Расчет разветвленных электрических цепей постоянного
тока с несколькими источниками. Законы Кирхгофа.
Метод контурных токов для расчета электрических цепей.
Магнитные цепи. Закон полного тока.
Расчет магнитных цепей. Прямая и обратная задачи.
Электрические цепи переменного тока Активное, индуктивное
и емкостное сопротивления в цепи переменного тока.
Последовательное соединение активных и реактивных
элементов. Резонанс напряжений. Векторные диаграммы.
Параллельное соединение активных и реактивных
элементов. Резонанс токов. Векторная диаграмма.
Трехфазные электрические цепи. Соединение приемников
звездой с нулевым проводом. Расчет. Векторная диаграмма.
Трехфазные электрические цепи. Соединение приемников
звездой без нулевого провода Расчет. Векторная диаграмма.
Трехфазные электрические цепи. Соединение приемников
треугольником. Расчет. Векторная диаграмма.
Трансформаторы. Назначение, конструкция. Принцип
действия, потери в стали и в меди.
Генераторы постоянного тока конструкция и принцип
действия. ЭДС генератора.
Генераторы постоянного тока с независимым возбуждением
и самовозбуждением. Внешняя характеристика генераторов.
Двигатели постоянного тока Конструкция и принцип действия.
Скорость вращения двигателя и методы ее регулирования.
Двигатели постоянного тока с независимым параллельным и
последовательным
возбуждением.
Механические
характеристики двигателей постоянного тока.
Асинхронные двигатели. Конструкция. Скорость вращения.
Механическая характеристика Асинхронные двигатели с
фазовым ротором.
78
Окончание приложения Ж
18 Синхронные двигатели. Конструкция. Скорость вращения.
Механическая характеристика. Влияние тока возбуждения.
19 Синхронные генераторы. Конструкция. Влияние тока
возбуждения. Параллельная работа синхронных генераторов.
20 Понятие электронно-дырочного перехода, донорные и
акцепторные примеси?
21 Объясните назначение, принцип действия и характеристики
диода. Виды диодов.
22 Объясните назначение, принцип действия и характеристики
транзистора. Типы транзисторов.
23 Общие
сведения,
классификация,
параметры,
характеристики усилителей электрических сигналов,
режимы их работы.
24 Понятие модуляции, виды модуляции и их характеристики.
25 Автогенераторы,
принцип
действия,
условия
самовозбуждения.
26 Радиоволны, их виды и основные свойства.
27 Диапазоны радиоволн и особенности их распространения.
28 Назовите основные характеристики антенн, их определения
и применение.
29 Элементы вычислительной техники.
Перечень типовых задач:
– определение эквивалентных сопротивлений;
– расчет цепей постоянного тока с одним источником;
– расчет разветвленной электрической цепи методом
контурных токов;
– расчет
электрических цепей переменного тока с
последовательным соединением активных и реактивных элементов;
– расчет электрических цепей переменного тока с
параллельным соединением активных и реактивных элементов.
79
Навчальне видання
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ
(російською мовою)
Автори: Гаврилюк Б.А.,
Колоколов П.В.,
Васильев А.Н.
Редактор: Сушкова Л.В.
Технічний редактор: Будулатій В.П.
Компьютерный набор: Петленко Е.А.
Комп’ютерна верстка: Бур’янський С.В.
Підписано до друку 20.09.2011
Формат 60х84 1/16. Папір газетний. Друк офсетний.
Ум. друк. арк. 4,65 Обл.-вид. арк. 5
Свідоцтво держ. реєстру ДК № 1963 від 07.10.2004 р.
Зам. №
/2011. Тираж
прим.
Державна льотна академія України
Видавництво, м. Кіровоград,
вул. Добровольського, 1,
тел. 394-437.
80