Ю.А. Левашов, Е.В. Аксенюк ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

1. Федеральное агентство по образованию Владивостокский государственный университет экономики и сервиса Ю.А. Левашов, Е.В. АксенюкЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА Для студентов специальностей 220100 "Вычислительные машины, комплексы, системы и сети“и 071900 "Информационные системы и технологии"

2. Темы 1. Электрические и магнитные цепи. Общие сведения 2. Основные определения, топологические параметры и методы расчета электрических цепей 3. Анализ и расчет электрических цепей с нелинейными элементами 4. Анализ и расчет линейных цепей переменного тока. 5. Анализ и расчет магнитных цепей 6. Электромагнитные устройства и электрические машины 7. Элементная база современных электронных устройств 8. Усилители электрических сигналов 9. Функциональные устройства аналоговой электроники 10. Основы цифровой электроники 11. Источники вторичного электропитания 12. Электрические измерения и приборы

3. Тема 1 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ Общие сведения

4. Электрической цепью называется совокупность соединенных между собой проводящих тел, полупроводниковых и диэлектрических устройств, электромагнитные процессы в которой могут быть описаны с помощью понятий об электрическом токе и напряжении Пример электрической цепи

5. Пример электрической цепи Схема

6. Элементы цепи можно разделить на Активныеэлементы Пассивные элементы Для учета процессов преобразования электромагнитной энергии в цепях вводятся идеализированные элементы, процессы в которых связаны лишь с одним видом энергии поля. Элементы цепи рассматриваются как математические модели, связывающие токи и напряжения.

7. Активные элементы – источники электрической энергии, в которых неэлектрические виды энергии преобразуются в электрическую. Различают два основных активных элемента: источник тока источник напряжения (ЭДС)

8. Пассивные элементы – приемники электромагнитной энергии. Электрическая энергия в них преобразуется в неэлектрические виды энергии – активное сопротивление (проводимость), либо накапливается в виде энергии электрического поля (емкость) или энергии магнитного поля (индуктивность). Емкость и индуктивность являются реактивными приемниками энергии или реактивными элементами.

9. Активные элементы Условное графическое обозначение идеализированного источника тока Источник тока Идеализированным источником тока называют элемент цепи, который создает заданный ток j(t) независимо от напряжения на его полюсах. Единица измерения – ампер (А). Напряжение на элементе определяется величиной сопротивления u = irи принимает любое значение. Ток в элементе не зависит от величины сопротивления: i = j.

10. Активные элементы Условное графическое обозначение идеализированного источника напряжения Источник напряжения (ЭДС) Идеализированным источником напряжения называют элемент цепи, который создает на своих зажимах напряжение u(t) = e(t) независимо от того, какой ток протекает через источник. Единица измерения – вольт (В). Напряжение на элементе не зависит от величины сопротивления: e = u. Ток в элементе i = u/r и принимает любое значение. Источник напряжения характеризует внесенную в цепь энергию извне, поэтому он называется также источником электродвижущей силы.

11. Пассивные элементы Условное графическое обозначение активного сопротивления Активное сопротивление Отношение, определяющее сопротивление: ur = irRили ir = ur /R. Величина R называется сопротивлением. Единица измерения – ом (Ом). Кратные единицы измерения активного сопротивления, наиболее часто встречающиеся в практике: килоом (кОм), 1 кОм = 1103 Ом; мегаом (МОм), 1 МОм = 1106 Ом. Ток в сопротивлении пропорционален напряжению. Эта идеализация соответствует закону Ома. Мощность, рассеиваемая на активном сопротивлении, определяется по формуле:

12. Пассивные элементы Условное графическое обозначение проводимости Проводимость Проводимостью называется величина, обратная сопротивлению: G = 1/R. Единица измерения – сименс (См).

13. Пассивные элементы Условное графическое обозначение проводимости или Емкость Отношение, определяющее емкость: Величина С называется емкостью. Единица измерения – фарада (Ф). Кратные единицы измерения емкости, наиболее часто встречающиеся в практике: пикафарада (пФ), 1 пФ = 110-12 Ф; нанофарада (нФ), 1 нФ = 110-9 Ф; микрофарада (мкФ), 1 мкФ = 110-6 Ф.

14. Пассивные элементы Величина заряда на конденсаторе определяется по формуле: Q = CU, Кл. Таким образом, электрическая емкость – это коэффициент пропорциональности, связывающий накопленный заряд Q с приложенным напряжением U. Энергия, накапливающаяся в емкости, определяется по формуле: WC = (CU2) / 2.

15. Пассивные элементы Условное графическое обозначение проводимости или Индуктивность Отношение, определяющее индуктивность, обратно тому, которое задает емкость, а именно: Величина L называется индуктивностью. Единица измерения – генри (Гн). Кратные единицы измерения индуктивности, наиболее часто встречающиеся в практике: миллигенри (мГн), 1 мГн = 110-3 Гн. Энергия, накапливающаяся в емкости, определяется по формуле: WL = (LI2) / 2

16. Основные характеристики идеализированных элементов электрических цепей

17. В реальных электрических цепях: 1) заданное сопротивление обычно обеспечивают включением специального изделия, называемого резистором; 2) заданную емкость – включением специального изделия, называемого конденсатором; 3) заданную индуктивность – включением катушек и просто проводников. В отличие от идеализированных элементов реальные элементы электрических цепей характеризуются множеством параметров, часть которых опять же можно смоделировать с помощью эквивалентных электрических схем (схем замещения), составленных из идеализированных элементов.

18. Эквивалентная схема конденсатора: С – емкость; LС – паразитная индуктивность; rп – сопротивление потерь; rиз – сопротивление изоляции Эквивалентная схема источника напряжения: e(t) – электродвижущая сила (ЭДС); rвн – внутреннее сопротивление источника Эквивалентная схема источника тока: gвн – внутренняя проводимость источника тока Электрическая схема – графическое изображение электрической цепи, содержащее условные обозначения ее элементов и способы их соединения

19. В зависимости от требуемой точности модели и характеристик источника и приемника энергии эквивалентные схемы реальных элементов и устройств могут быть упрощены. Например, электрическая цепь, приведенная выше, может быть представлена следующей схемой: rл – активное сопротивление лампы накаливания

20. В общем случае все цепи являются нелинейными, но в ряде случаев нелинейностью можно пренебречь с удовлетворительной точностью моделирования. На настоящем этапе мы будем изучать линейные электрические цепи. Элемент электрической цепи, параметры которого не зависят от тока в нем, называют линейным, в противном случае – нелинейным. Линейная электрическая цепь – цепь, все элементы которой являются линейными Нелинейная электрическая цепь – цепь, содержащая хотя бы один нелинейный элемент

21. Точка, в которой соединяются два или более элемента электрической цепи, называется узлом Если в узле соединены только два элемента (а), то их можно объединить по правилам последовательного соединения и представить в виде одного более сложного элемента (б). Узел b поэтому называется устранимымузлом.

22. ПРАВИЛА ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО СОЕДИНЕНИЯ  Последовательное соединение активных сопротивлений  Последовательное соединение индуктивностей без учета взаимоиндукции определяется по формуле: определяется по формуле:  Последовательное соединение емкостей определяется по формуле: Для n = 2:

23. Элемент или группа последовательно соединенных элементов, заключенных между соседними узлами, называется ветвью Если между двумя узлами заключено несколько ветвей (а), то по правилам параллельного соединения их можно объединить в одну эквивалентную ветвь (б) Параллельные ветви называются объединяемыми ветвями

24. ПРАВИЛА ПАРАЛЛЕЛЬНОГО СОЕДИНЕНИЯ Эквивалентное сопротивление параллельного соединения (рис. 1) определяется по формуле: При параллельном соединении удобнее пользоваться проводимостями: Для двух сопротивлений: Эквивалентная емкость параллельного соединения (рис. 2) определяется по формуле: Рис. 1 Рис.2 Перед расчетом электрической цепи устраняются устранимые узлы и объединяются объединяемые ветви.

25. Тема 2 ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ТОПОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

26. Закон Ома для участка цепи (ветви с сопротивлением R или проводимостью G) Ток в электрической цепи прямопропорционален приложенному напряжению и обратнопропорционален ее сопротивлению Эту закономерность можно выразить следующими формулами: I = U/R U = RI R = U/I I = UG U = I/G G = I/U

27. Первый закон Кирхгофа Другая формулировка первого закона Кирхгофа: сумма втекающих в узел токов равна сумме вытекающих токов, то есть Алгебраическая сумма токов в узле равна нулю: Ток, втекающий в узел, полагают положительным, а вытекающий – отрицательным Для узла на схеме .

28. Второй закон Кирхгофа Контур – любой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям. Для контура выполняется второй закон Кирхгофа: Алгебраическая сумма ЭДС в ветвях контура равна алгебраической суме падений напряжений на элементах контура с учетом выбранного направления обхода: где m – количество источников ЭДС в ветвях контура; k – количество элементов в ветвях контура. Для контура, приведенного справа, уравнение, составленное по второму закону Кирхгофа, имеет следующий вид: Используя законы Ома и Кирхгофа можно рассчитать любую электрическую цепь

29. (1) (2) Первый и второй законы Кирхгофа позволяют составить топологические уравнения цепи. Эти уравнения определяются только соединением элементов и не зависят от того, какие элементы включены в схему. В общем случае электрическая схема имеет Р узлов и М контуров. В результате образуется система уравнений, которая содержит Р уравнений типа (1) и М уравнений типа (2). Однако из Р уравнений типа (1) независимы только Р1 уравнений, так как каждый ток входит в систему два раза с противоположными знаками. Таким образом, полученная система уравнений типа (1) дает Р1 независимых уравнений с Q неизвестными токами. Остальные N = Q (Р1) уравнений получаются на основе соотношения (2). Соответствующие этим уравнениям узлы и контуры называются независимыми. Независимый контур – это контур, в состав которого входит хотя бы одна ветвь, не принадлежащая другим контурам

30. В развернутом виде уравнение (2) представляет собой интегро-дифференциальное уравнение: , где m – число ветвей в контуре. То есть ветвь I в общем случае может содержать активное сопротивление, индуктивность и емкость. Итак, при прямом использовании законов Кирхгофа задача расчета электрической цепи сводится к составлению и решению системы интегро-дифференциальных уравнений, где в качестве неизвестных фигурируют токи в ветвях; при этом число уравнений (и неизвестных) равно числу ветвей в цепи.

31. В цепях постоянного тока (i = I = const) интегро-дифференциальное уравнение превращается в алгебраическое, так как индуктивность представляет собой для постоянного тока короткое замыкание, а емкость – разрыв цепи. Например, электрическая цепь с источниками постоянного напряжения Ei (а) преобразуется в цепь постоянного тока (б): .

32. Использование законов Ома и Кирхгофа для расчета цепей постоянного тока Пример прямого использования законов Кирхгофа В качестве примера рассмотрим расчет цепи, схема замещения которой показана ниже и которая содержит Р = 2 узла и Q = 3 ветви, то есть N = Q (Р1) = 32+1 = 2 независимых контура (1 и 2, или 1 и 3, или 2 и 3).

33. Использование законов Ома и Кирхгофа для расчета цепей постоянного тока По первому закону Кирхгофа можно составить только одно (Р1 = 21 = 1) независимое уравнение, например, для узла а: По второму закону Кирхгофа – только два (N = 2) независимых уравнения, например, для контуров 1 и 2: Чтобы определить токи ветвей I1, I2, I3, необходимо решить систему этих трех уравнений с тремя неизвестными токами: Решив эту систему уравнений, найдем токиI1 = 1,36 мА; I2 = 2,19 мА; I3 = 3,55 мА. Определяем потенциал узла а: Поверяем выполнение первого закона Кирхгофа для узла а: – первый закон Кирхгофа выполняется. Проверяем выполнение второго закона Кирхгофа для контура 3: –второй закон Кирхгофа выполняется.

34. Использование законов Ома и Кирхгофа для расчета цепей постоянного тока Пример использования метода свертки Электрическая цепь постоянного тока Процесс свертки электрической цепи (устранение устранимых узлов и объединение объединяемых ветвей)

35. Тема 3 АНАЛИЗ И РАСЧЕТ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ С НЕЛИНЕЙНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

36. Сигнал – это переменный во времени физический процесс (носитель информации), развивающийся в линиях связи и обеспечивающий передачу информации в согласованной форме

37. Физический носитель информации – это процесс (явление), одно или несколько свойств которого могут принимать технически различимые значения. В информатике и вычислительной технике, как правило, в качестве физического процесса используется электрическое напряжение в узле или ток в ветви.

38. Форма представления информации – это соглашение о вложении передаваемой информации в физический носитель информации. Например, высокий уровень напряжения соответствует логической «1», а низкий уровень напряжения – логическому «0».

39. В общем случае изменение параметров физического носителя информации в макромире непрерывно во времени и в пространстве. Однако при построении технических устройств информационной техники можно условиться использовать для передачи информации либо всю совокупность значений параметра (аналоговая форма представления информации), либо только некоторые его значения (дискретная форма представления информации). В соответствии с этим сигналы можно разделить на следующие классы: аналоговые сигналы, т.е. сигналы произвольные по величине и непрерывные по времени (см. рисунок); сигналы произвольные по величине и дискретные по времени (см. рисунок); сигналы квантованные по величине и непрерывные по времени (см. рисунок); цифровые сигналы, т.е. сигналы квантованные по величине и дискретные по времени (см. рисунок).

40. Аналоговые сигналы, т.е. сигналы произвольные по величине и непрерывные по времени назад

41. Сигналы произвольные по величине и дискретные по времени назад

42. Сигналы квантованные по величине и непрерывные по времени назад

43. Цифровые сигналы, т.е. сигналы квантованные по величине и дискретные по времени назад

44. Основной недостаток аналогового сигнала – принципиальная незащищенность от воздействия помех. То есть, при обработке аналогового сигнала отношение сигнал/помеха (сигнал/шум) может только ухудшиться.

45. , ; В цифровых сигналах введены специальные зоны (области допустимых значений), значения сигналов в которых либо равнозначны (независимо от величины зоны), либо не могут существовать вообще. Например, в транзисторно-транзисторной логике (ТТЛ) введены следующие допустимые области значений сигналов: Номинальные значения сигналов для ТТЛ: однако любое значение сигнала в интервале от 1,9 В до 5 В будет воспринято, как логическая “1”, в интервале от 0,7 В до 1,4 В – как логический “0”. Запрещенный интервал значений сигналов от 1,4 В до 1,9 В (”*”). Если сигнал попадает в этот интервал, то он может быть воспринят и как логический “0”, и как логическая “1”, что приведет к сбою работы вычислительных устройств.

46. Другим достоинством цифрового сигнала является то, что каждый цикл обработки устремляет его значение к номинальному значению. Например, на вход устройства поступил сигнал: На выходе устройства сигнал принимает значение: То есть, при обработке цифровых сигналов отношение сигнал/помеха (сигнал/шум) не ухудшается, а, как правило, улучшается. Таким образом, цифровой сигнал обладает значительно большей помехоустойчивостью, чем аналоговый. Поэтому в современных электронных устройствах аналоговые сигналы часто обрабатываются цифровыми методами. Схема цифровой обработки аналогового сигнала

47. Схема цифровой обработки аналогового сигнала АС – аналоговый сигнал ЦС – цифровой сигнал АЦП – аналогово-цифровой преобразователь ЦУ – цифровое устройство ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь назад

48. Основные характеристики сигналов ►Область допустимых значений или динамический диапазон ►Спектральный состав

49. ОБЛАСТЬ ДОПУСТИМЫХ ЗНАЧЕНИЙ ИЛИ ДИНАМИЧЕСКИЙ ДИАПАЗОН Динамический диапазон определяется по формулам: где Pcmax (Ucmax) – максимальная мощность (напряжение) сигнала; Pcmin (Ucmin) – минимальная мощность (напряжение) сигнала. Например, для разборчивой передачи человеческой речи в системах сотовой связи D  40 дБ, для качественной передачи музыкальных программ D  65 дБ.

50. СПЕКТРАЛЬНЫЙ СОСТАВ Любой сигнал можно представить в виде суммы ряда: где n(t) – ортогональная функция времени; Un – коэффициент при n. Вышеуказанный ряд называется обобщенным рядом Фурье. Совокупность коэффициентов Un, называемая спектром сигнала U(t) в ортогональной системе n(t), полностью определяет этот сигнал.