R - Решить задачу

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное автономное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ В г. ТАГАНРОГЕ
(ТТИ Южного федерального университета)
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ
ПО КУРСУ
КАФЕДРА ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И МЕХАТРОНИКИ
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА
Для студентов специальности 230102
Таганрог 2011
1
УДК 621.31 (07.07)
Составитель Рассоха Д.П.
Методические указания к выполнению контрольной работы по курсу "Электротехника и электроника" для студентов специальности 230102. Таганрог. Изд-во ТТИ
ЮФУ, 2011. 76 с.
Приведены методические указания по выполнению контрольной работы по
курсу " Теоретические основы электротехники ". Целью выполняемой работы является накопление опыта использования систем схемотехнического проектирования
для решения различных задач проектирования электрооборудования.
Методические указания предназначены для студентов специальности 140607.
Табл. 9. Ил. 85. Библиогр.: 16 назв.
Рецензент А.А. Шеслер, канд. техн. наук, директор НПТК “АВС-LTD”.
 ТТИ Южного федерального университета, 2011
2
Оглавление
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА................................................................. 1
1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ......................................................................................... 4
2. СОДЕРЖАНИЕ РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ И ЕЕ
ОФОРМЛЕНИЕ ................................................................................................................... 4
3. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ .................................................................................................. 5
4. ЗАДАНИЕ К КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЕ...................................................................... 9
5. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ.................................. Error! Bookmark not defined.
5.1 Анализ вольтамперных характеристик (ВАХ) транзистора ......Error! Bookmark
not defined.
5.1.1 Вольтамперные характеристики биполярного транзистора .................. Error!
Bookmark not defined.
5.1.2 Входные ВАХ транзистора, включенного по схеме с ОЭ ..Error! Bookmark
not defined.
5.1.3. Выходные ВАХ транзистора, включенного по схеме с ОЭ .................. Error!
Bookmark not defined.
5.1.4 Схема включения транзистора с общим эмиттером. .... Error! Bookmark not
defined.
5.1.5 Схемы включения транзистора с общим коллектором (эмиттерный
повторитель)................................................................ Error! Bookmark not defined.
5.2 Четырехполюсники. ................................................. Error! Bookmark not defined.
5.2.1 Общие понятия и определения ........................ Error! Bookmark not defined.
5.2.2 Основные уравнения четырехполюсника ....... Error! Bookmark not defined.
5.2.3 Способы определения коэффициентов матриц Z,Y,G,H,A,B пассивного
четырехполюсника ..................................................... Error! Bookmark not defined.
5.2.4 Т- и П-образные схемы замещения четырехполюсников ...Error! Bookmark
not defined.
5.2.5 Составные четырехполюсники ........................ Error! Bookmark not defined.
5.3 АНАЛИЗ ЦЕПИ НА НЕГАРМОНИЧЕСКОМ ПЕРИОДИЧЕСКОМ ТОКЕ
.......................................................................................... Error! Bookmark not defined.
5.3.1 Разложение в ряд Фурье ................................... Error! Bookmark not defined.
5.3.2 Действующее значение и среднее значение периодических
негармонических функций ........................................ Error! Bookmark not defined.
5.3.3 Коэффициенты, характеризующие форму негармонической функции:
...................................................................................... Error! Bookmark not defined.
5.3.4 Мощность в цепи несинусоидального тока .... Error! Bookmark not defined.
5.4.АНАЛИЗ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В ЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЯХ ........... Error!
Bookmark not defined.
5.4.1 Возникновение переходных процессов. Понятие о коммутации .......... Error!
Bookmark not defined.
5.4.2 Законы коммутации........................................... Error! Bookmark not defined.
5.4.3 Классический метод расчета переходного процесса. ... Error! Bookmark not
defined.
5.4.4 Операторный метод ........................................... Error! Bookmark not defined.
5.4.5 Метод переменных состояния .......................... Error! Bookmark not defined.
3
5.4.6 Расчёт переходного процесса с помощью интеграла Дюамеля............. Error!
Bookmark not defined.
6 ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ. ......... Error! Bookmark not
defined.
6.1 Задание к контрольной работе. ............................... Error! Bookmark not defined.
6.2 Пример решения задачи 1. ...................................... Error! Bookmark not defined.
6.2 Пример решения задачи 2. ...................................... Error! Bookmark not defined.
6.3 Пример решения задачи 3 ....................................... Error! Bookmark not defined.
6.4 Пример решения задачи 4 ....................................... Error! Bookmark not defined.
Библиографический список .............................................. Error! Bookmark not defined.
4
1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Контрольная работа выполняется поэтапно. Результаты расчетов на каждом этапе
представляются преподавателю для проверки в часы индивидуальной работы. В это
же время студент можно получить необходимую консультацию.
Анализ частотных характеристик схемы и временных зависимостей выполняется
с использованием любого пакета схемотехнического моделирования на ЭВМ в Electronics Workbench или Multisim/
Контрольная работа оформляется в виде расчетно-пояснительной записки. После
проверки преподавателем работа допускается к защите.
Защита контрольной работы после окончания срока сдачи контрольной работы
производится студентом перед комиссией.
Оценка по контрольной работе определяется грамотностью и качеством выполнения задания, ритмичностью работы студентов в течение семестра.
2. СОДЕРЖАНИЕ РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНОЙ ЗАПИСКИ И ЕЕ
ОФОРМЛЕНИЕ
Расчетно-пояснительная записка должна содержать следующие разделы:
- титульный лист;
- задание на контрольную работу;
- расчетную часть;
- заключение;
- литературу.
В ее состав должны входить следующие рисунки:
- заданная принципиальная схема;
- схема замещения исследуемого устройства;
- графики реакции схемы на заданное произвольное периодическое воздействие, рассчитанные с использованием стандартных пакетов схемотехнического моделирования;
- графики реакции схемы на заданное произвольное воздействие, рассчитанные с
использованием стандартных пакетов схемотехнического моделирования.
-графики реакции схемы на произвольное периодическое воздействие при изменении
параметра схемы;
Формулы, на которые ссылаются по тексту, нумеруются арабскими цифрами в
круглых скобках. Ссылки располагаются в правой части листа. Ссылки на используемую литературу даются в тексте в соответствии с логической необходимостью в
квадратных скобках арабскими цифрами.
Рисунки выполняются только черной пастой в соответствии с требованиями ГОСТа. Они нумеруются и помещаются после первой ссылки на них. Масштаб шкал
можно выбирать линейный или логарифмический.
Вариант выбирается по двум последним цифрам зачетной книжки.
5
3. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ
Для выполнения контрольной работы используется схема, которая состоит из
двух четырехполюсников (Рис. 1).
EП
uВх(t)
uВых(t)
uВх(t)
1
uВых(t)
2
Рис. 1.
Первый четырехполюсник (1) представляет собой цепь, содержащую транзистор и сопротивления R1, R2 и R3, которые обеспечивают выбор рабочей точки
транзистора для работы в линейном режиме (Рис. 2, Рис. 3, Рис.4 или Рис. 5).
Второй четырехполюсник (2) - это пассивный четырехполюсник, структурная
схема которого изображена на рис. 6. В ветвях схемы находятся пассивные элементы Э1 и Э2 (емкость С, R сопротивление R и индуктивность L).
Для анализа составляется схема из двух четырехполюсников. Способ соединения
четырехполюсников указан в таблице 2.
R1
R2
R3
R1
Т
En
1
1
R2
En
Т
2
R1
2
En
Т
1
2
uвх(t)
R2
u2(t)
u2(t)
uвх(t)
R3
0
Рис. 2.
u2(t)
uвх(t)
R3
0
0
Рис. 3
Рис. 4.
R3
R1
En
Т
Э1
1
2
3
2
uвх(t)
R2
u2(t)
u2(t)
0
Рис.5.
Э2
uвых(t)
0
Рис.6.
Для получения схемы согласно варианту, необходимо в топологию цепи (рис.
1) поместить элементы из таблицы 2, которые указаны буквами. Если в таблице 2
6
элементы записаны через запятую, то они включаются в ветвь последовательно, если через знак //, то параллельно. В первом четырехполюснике помещаются схемы
рис. 2,3,4,5.
Назначение букв в таблице 2 следующие:
R - сопротивление; L - индуктивность; C - емкость
Вид периодического источника ЭДС e(t)=Emsin(wt). Амплитудное значение входного сигнала выбрать следующим образом:
1. Для схемы изображенной на рис. 2 и рис 5.
Um=1 В;
2. Для схем изображенных на рис. 3и рис.4
Um=0.2 В.
Значение элементов в схеме замещения: Ср=1000 мкФ, R = 1000 Ом; С = 0,1 мкФ;
L = 0,1 Гн;
=10000 с-1 ; R3=50 Ом.
Пример составления расчетной схемы.
Исходные данные для варианта № 0 приведены в таблице № 1, а получаемая
исследуемая цепь схема приведена на рис. 7.
Таблица 1
№
Варианта
Номер
рис. схемы
Тип
транзистора
Рис. 3
2N2712
0
R1
Коэффициент
усиления по
Ветви для схемы рис.5
Э1
току β
25
Э2
C,R//L
C,R
Вид
составного
четырехполюсника
5
En
R2
Cp
L
C
2
3
1
e(t)
u2 (t)
uвх (t)
R3
R
C uвых(t)
R
0
Рис. 7
Таблица 2. Исходные данные
№
Варианта
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
Номер
рис.
схемы
Рис. 2
Рис.3
Рис.4
Рис.5
Рис. 2
Рис.3
Рис.4
Рис.5
Рис. 2
Рис.3
Рис.4
Рис.5
Рис. 2
Рис.3
Тип
транзистора
Коэффициент
усиления по
Ветви для схемы рис.5
Э1
Э2
C,L
C,R
C
C,R
C,R
R,C
C,R
C,L
C,R
C
C,R
C,R
R,C
C,R
R
L
R,L
R,L
C.L
L||R
C||R
R,L
L,C
R,L
R,L
C.L
L||R
C||R
Вид составного четырехполюсника
току β
2N2712
2N2714
2N2923
2N2924
2N2925
2N3390
2N3391
2N3392
2N3393
2N3394
2N3414
2N3415
2N3416
2N3417
25
30
35
40
45
50
25
30
35
40
45
50
25
30
7
последовательно
параллельно
последовательно - параллельно
параллельно – последовательно
каскадно
последовательно
параллельно
последовательно - параллельно
параллельно – последовательно
каскадно
последовательно
параллельно
последовательно - параллельно
параллельно – последовательно
№
Варианта
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
32.
33.
34.
35.
36.
37.
38.
39.
40.
41.
42.
43.
44.
45.
46.
47.
48.
49.
50.
51.
52.
53.
54.
55.
56.
57.
58.
59.
60.
61.
62.
63.
Номер
рис.
схемы
Рис.4
Рис.5
Рис. 2
Рис.3
Рис.4
Рис.5
Рис. 2
Рис.3
Рис.4
Рис.5
Рис. 2
Рис.3
Рис.4
Рис.5
Рис. 2
Рис.3
Рис.4
Рис.5
Рис. 2
Рис.3
Рис.4
Рис.5
Рис. 2
Рис.3
Рис.4
Рис.5
Рис. 2
Рис.3
Рис.4
Рис.5
Рис. 2
Рис.3
Рис.4
Рис.5
Рис. 2
Рис.3
Рис.4
Рис.5
Рис. 2
Рис.3
Рис.4
Рис.5
Рис. 2
Рис.3
Рис.4
Рис.5
Рис. 2
Рис.3
Рис.4
Тип
транзистора
Коэффициент
усиления по
Ветви для схемы рис.5
Э1
Э2
C,L
C,R
C
C,R
C,R
L,C
C,L
C,L
C,R
C
C,R
C,R
C
L//C
R,C
C,R
L,C
C,L
C,L//R
C,L//R
C,L//R
C,L//R
C,R
L,C
L,C
R,C
C,R
L,C
C,L
C,L//R
C,L//R
C,L//R
C,L//R
C,R
C
C
R,C
C,R
C,L
C,R
C
C,R
C,R
R,C
C,R
C,L
C,R
C
C,R
R
L
R,L
R,L
C.L
L||R
C||R
R
L
R,L
R,L
C.L
L||R
C||R
L||R
C||R
L||R
C||R
L
R
R,L
R,C
C.L
L||R
C||R
L||R
C||R
L||R
C||R
L
R
R,L
R,C
C.L
L||R
C||R
L||R
C||R
R
L
R,L
R,L
C.L
L||R
C||R
R
L
R,L
R,L
Вид составного четырехполюсника
току β
2N3707
2N3711
2N3858A
2N3859
2N3860
2N3903
2N3904
2N2712
2N2714
2N2923
2N2924
2N2925
2N3390
2N3391
2N3392
2N3393
2N3394
2N3414
2N3415
2N3416
2N3417
2N3707
2N3711
2N3858A
2N3859
2N3860
2N3903
2N3904
2N2712
2N2714
2N2923
2N2924
2N2925
2N3390
2N3391
2N3392
2N3393
2N3394
2N3414
2N3415
2N3416
2N3417
2N3707
2N3711
2N3858A
2N3859
2N3860
2N3903
2N3904
35
40
45
50
25
30
35
40
45
50
25
30
35
40
45
50
25
30
35
40
45
50
25
30
35
40
45
50
25
30
35
40
45
50
25
30
35
40
45
50
25
30
35
40
45
50
25
30
35
8
каскадно
последовательно
параллельно
последовательно - параллельно
параллельно – последовательно
каскадно
последовательно
параллельно
последовательно - параллельно
параллельно – последовательно
каскадно
последовательно
параллельно
последовательно - параллельно
параллельно – последовательно
каскадно
последовательно
параллельно
последовательно - параллельно
параллельно – последовательно
каскадно
последовательно
параллельно
последовательно - параллельно
параллельно – последовательно
каскадно
последовательно
параллельно
последовательно - параллельно
параллельно – последовательно
каскадно
последовательно
параллельно
последовательно - параллельно
параллельно – последовательно
каскадно
последовательно
параллельно
последовательно - параллельно
параллельно – последовательно
каскадно
последовательно
параллельно
последовательно - параллельно
параллельно – последовательно
каскадно
последовательно
параллельно
последовательно - параллельно
№
Варианта
64.
65.
66.
67.
68.
69.
70.
71.
72.
73.
74.
75.
76.
77.
78.
79.
80.
81.
82.
83.
84.
85.
86.
87.
88.
89.
90.
91.
92.
93.
94.
95.
96.
97.
98.
99.
100.
Номер
рис.
схемы
Рис.5
Рис. 2
Рис.3
Рис.4
Рис.5
Рис. 2
Рис.3
Рис.4
Рис.5
Рис. 2
Рис.3
Рис.4
Рис.5
Рис. 2
Рис.3
Рис.4
Рис.5
Рис. 2
Рис.3
Рис.4
Рис.5
Рис. 2
Рис.3
Рис.4
Рис.5
Рис. 2
Рис.3
Рис.4
Рис.5
Рис. 2
Рис.3
Рис.4
Рис.5
Рис. 2
Рис.3
Рис.4
Рис.5
Тип
транзистора
Коэффициент
усиления по
Ветви для схемы рис.5
Э1
Э2
C,R
R,C
C,R
C,L
C,R
C
C,R
C,R
L,C
C,L
C,L
C,R
C
C,R
C,R
C
C
R,C
C,R
L,C
C,L
C,L//R
C,L//R
C,L//R
C,L//R
C,R
C
C
R,C
C,R
L,C
C,L
C,L//R
C,L//R
C,L//R
C,L//R
C,R
C.L
L||R
C||R
R
L
R,L
R,L
C.L
L||R
C||R
R
L
R,L
R,L
C.L
L||R
C||R
L||R
C||R
L||R
C||R
L
R
R,L
R,C
C.L
L||R
C||R
L||R
C||R
L||R
C||R
L
R
R,L
R,C
C.L
Вид составного четырехполюсника
току β
2N2712
2N2714
2N2923
2N2924
2N2925
2N3390
2N3391
2N3392
2N3393
2N3394
2N3414
2N3415
2N3416
2N3417
2N3707
2N3711
2N3858A
2N3859
2N3860
2N3903
2N3904
2N2712
2N2714
2N2923
2N2924
2N2925
2N3390
2N3391
2N3392
2N3393
2N3394
2N3414
2N3415
2N3416
2N3417
2N3707
2N3711
40
45
50
25
30
35
40
45
50
25
30
35
40
45
50
25
30
35
40
45
50
25
30
35
40
45
50
25
30
35
40
45
50
25
30
35
40
9
параллельно – последовательно
каскадно
последовательно
параллельно
последовательно - параллельно
параллельно – последовательно
каскадно
последовательно
параллельно
последовательно - параллельно
параллельно – последовательно
каскадно
последовательно
параллельно
последовательно - параллельно
параллельно – последовательно
каскадно
последовательно
параллельно
последовательно - параллельно
параллельно – последовательно
каскадно
последовательно
параллельно
последовательно - параллельно
параллельно – последовательно
каскадно
последовательно
параллельно
последовательно - параллельно
параллельно – последовательно
каскадно
последовательно
параллельно
последовательно - параллельно
параллельно – последовательно
каскадно
4. ЗАДАНИЕ К КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЕ
При выполнении контрольной работы необходимо решить следующие задачи.
Задача 1.
1) В пакете схемотехнического проектирования Multisim для заданного транзистора снять семейство вольтамперных характеристик на постоянном токе.
2) Выбрать рабочую точку транзистора так, чтобы постоянное напряжение на
коллекторе равнялось Uкэ= 5 В. Напряжение источника питания выбрать E n  10 В .
В рабочей точке определить параметры сопротивлений R1, R2 и параметры схемы
замещения транзистора, RБ, ЕСМ и коэффициент усиления по тока β. Выполнить
расчет схемы с транзистором по постоянному току.
3) В пакете схемотехнического проектирования Multisim смоделировать четырехполюсник с транзистором на постоянном токе и сравнить результаты расчета
и моделирования.
Задача 2.
1)В рабочей точке для режима малого сигнала определить коэффициент усиления
по тока β. В зависимости от способа соединения двух четырехполюсников (1 - последовательно; 2 – параллельно; 3 – последовательно - параллельно;4 – параллельно
– последовательно;5 – каскадно) определить коэффициенты матриц (Z,Y,H,G,A) для
заданных четырехполюсников и для составного четырехполюсника.
2) Подключить на вход составного четырехполюсника (см. рис. 7) источник синусоидального напряжения e(t)=Emsin(wt) и рассчитать напряжение на выходе схемы и построить график напряжения uвых(t)= Umвыхsin(wt)
3) В пакете схемотехнического проектирования Multisim смоделировать составной четырехполюсник и снять результаты моделирования. Сравнить результаты
расчета и моделирования.
Примечания. При моделировании на вход и выход четырехполюсника с транзистором
необходимо
включить
разделительные
конденсаторы
величиной
Ñ  1000 ì êÔ , чтобы обеспечить рабочую точку транзистора по постоянному
ð
току.
Задача 3.
1) Для составного четырехполюсника вычислить комплексный коэффициент передачи по напряжению K( j ) 
U вых ( j )
и построить амплитудно-частотную
U вх ( j )
характеристику (АЧХ) и фазо-частотную характеристику (ФЧХ) в MathCad.
2) В пакете схемотехнического проектирования Multisim смоделировать составной четырехполюсник и снять АЧХ и ФЧХ. Сравнить результаты расчета и моделирования.
Задача 4.
Два четырехполюсника соединить каскадно (рис. 3). Необходимо выполнить:
10
1)Вместо EП подключить источник прямоугольных импульсов (рис. 4 и рассчитать uВЫХ (t), с помощью интеграла Дюамеля в MathCad.
2)Проверить расчёты в схемотехническом решении, используя программу
Multisim
e(t),B
10
e(t)
uВых(t)
1
2
t,мс
2,5
Рисунок 3
Рисунок 4
Задача 5.
Два четырехполюсника соединить каскадно (рис. 3). Необходимо выполнить:
1)Вместо EП (рис. 3) подключить источник прямоугольных импульсов (рис. 4) и
рассчитать uВЫХ (t), с помощью метода переменных состояния в MathCad.
2)Проверить расчёты в схемотехническом решении, используя программу Multisim.
11