Практическое занятие 8

Выбор элементов при конструировании электронных устройств

 

Общие положения

Элементы электронных устройств, как правило, представляют собой стандартизированные детали, серийно выпускаемые промышленностью. Эти изделия изготавливаются согласно номенклатуре, установленной специально разработанными типовыми рядами номиналов, которые являются обязательными к применению для разработчика аппаратуры. Исключение составляют детали, содержащие индуктивность – трансформаторы и дроссели, изготавливаемые обычно для установки в определенном конкретном устройстве. Однако и в этом случае обычно используются унифицированные типовые ряды магнитных сердечников.

Содержанием настоящей темы предусмотрено ознакомление с методами и правилами, применяемыми при выборе наиболее распространенных элементов электронных схем – полупроводниковых диодов, транзисторов, резисторов и конденсаторов. Общий принцип при подборе этих элементов заключается в следующем. Вначале аналитическим путем устанавливаются величины электрических нагрузок на данный элемент (токи, напряжения, рассеиваемая мощность), фактически существующие при работе устройства, а затем на основе каталожных данных выбирают тип элемента, для которого все эти нагрузки не превышают максимально допустимых значений. Рекомендуется так выбирать элементы, чтобы фактически существующие нагрузки не превышали 60-80% от предельно допустимых значений. Тем самым повышается надежность элементов, значительно и увеличивается и срок службы всего устройства.

Выбор полупроводниковых диодов

Основными исходными параметрами, по которым производится выбор диодов, являются среднее значение анодного тока I_a и амплитудное значение обратного напряжения U_am. Определив расчетом эти величины, по справочнику выбирают тип вентиля, для которого выполняются условия

I_{a макс доп} ³ I_a,

U_{a макс доп} ³ U_am,

где I_{a макс доп} – максимально допустимое среднее значение анодного тока вентиля данного типа;

U_{a макс доп} -максимально допустимое амплитудное значение обратного напряжения для вентиля данного типа.

В необходимых случаях следует учитывать влияние повышенной температуры окружающей среды, что обычно снижает допустимое обратное напряжение. Необходимые данные для учета влияния температуры приводятся в справочном листке на вентиль.

Большинство современных типов диодов изготавливается на основе германиевых и кремниевых кристаллов. При решении вопроса о выборе исходного материала следует иметь в виду, что кремниевые диоды могут работать при более высоких температурах, чем германиевые, и имеют значительно меньшую величину обратного тока.

Преимуществом германиевых вентилей следует считать меньшую величину прямого падения напряжения, что повышает к.п.д. выпрямителя, и несколько меньшую стоимость по сравнению с кремниевым.

При выборе мощных вентилей следует обращать внимание на условия их охлаждения. Способы охлаждения предусматриваются техническими условиями на вентили и весьма сильно влияют на допустимую величину анодного тока вентиля.

Пример. Для установки в выпрямительном блоке требуется выбрать полупроводниковый диод. Расчетом установлено, что при работе устройства максимальные электрические нагрузки на диод составят:

I_a = 4.8 А;

U_am = 375 В.

Пользуясь справочником [2], для установки в схему выбираем диод типа КД203А со следующими основными параметрами:

I_{а макс доп} = 10 А;

U_{а макс доп} = 600 В.

Примечание. Выбранный диод имеет избыточный запас по допустимому прямому току I_а. Однако ближайший меньший номинал анодного тока составляет 5 А (диоды типа КД202). Такие диоды, хотя и способны работать в данной схеме, однако не обеспечивают достаточного запаса по току, поэтому их применение не может быть рекомендовано.

 

 

Выбор транзисторов

 

При выборе транзисторов учитываются три основные параметра: амплитудное значение тока коллектора I_кm, амплитудное значение напряжения коллектор-эмиттер или коллектор-база U_кэm (U_кбm), средняя мощность, выделяемая на коллекторе Р_к. Пользуясь справочником, выбираем такой тип транзистора, для которого:

I_{к макс доп} ³ I_кm;

U_{кэ макс доп} ³ U_{кэ m};

Р_{к макс доп} ³ Р_к,

где I_{к макс доп} - максимально допустимое значение коллекторного тока;

U_{к макс доп} - максимально допустимое значение напряжения коллектор-эмиттер;

Р_{к макс доп­} - максимально допустимое среднее значение мощности, рассеиваемой на коллекторе.

Температура окружающей среды при выборе транзисторов оказывает влияние на максимально допустимое напряжение и максимально допустимую мощность. При выборе материала транзистора следует учитывать те же особенности, что и при выборе диодов.

Частотные свойства транзисторов, предназначенных для работы в устройствах судовой автоматики, не имеют существенного значения, поскольку инерционность транзисторов заведомо пренебрежимо мала по сравнению с инерционностью других элементов, входящих в систему регулирования. Поэтому, как правило, в усилителях и других электронных элементах автоматики применяются транзисторы, принадлежащие к группе низкочастотных.

Особое внимание следует обратить на то, что транзисторы делятся на два типа: прп и рпр. При этом очевидно, что если схема рассчитана на транзистор, например рпр типа, то установка в данную схему транзистора прп совершенно невозможна, хотя бы он и имел все численные параметры, удовлетворяющие поставленным условиям. В некоторых случаях, однако, затруднения подобного рода могут быть преодолены незначительной перестройкой структуры схемы так, что она становится пригодной для использования транзисторов другого типа.

При выборе мощных транзисторов часто возникает вопрос о способе отвода тепла, выделяемого на коллекторном переходе транзистора, Обычно этот вопрос решается установкой транзистора на теплоотводящий радиатор. Необходимая величина площади радиатора в этом случае может быть определена с помощью специальных таблиц.

Пример. Для установки в схему усилителя мощности требуется подобрать транзистор рпр типа, способный работать в следующем режиме:

I _кm = 2.5 A;

U_{кэ m} = 30 В;

Р_к  = 2.5 В.

Пользуясь справочником [2], выбираем для установки транзистор типа ГТ703Д, имеющий следующие основные параметры:

I_{к макс доп} = 3.5 А;

U_{кэ макс доп} = 40 В;

Р_{к макс доп} = 15 В (с теплоотводом).

 

 

Выбор резистора

 

Для правильного выбора резистора необходимо знать величину его сопротивления R, рассеиваемую мощность Р_Р  и дополнительные условия эксплуатации. Этими дополнительными условиями в основном определяется выбор типа резистора. Для изделий общепромышленного назначения наиболее часто применяются резисторы типов ВС и МЛТ.

После выбора типа резистора на шкале номинальных мощностей выбирается мощность резистора. Например, для названных типов резисторов шкала номинальных мощностей выглядит следующим образом:

Р_ном= 0.125 Вт; 0.25 Вт; 0.5 Вт; 1.0 Вт; 2.0 Вт; 5.0 Вт; 10.0 Вт, (последние два значения только для резисторов типа ВС).

При выборе мощности резистора должно выполняться условие:

Р_ном > Р_р.

Номинальное значение сопротивления резистора выбирается наиболее близким к расчетному по шкале номинальных величин постоянных сопротивлений с учетом допустимого разброса. Резисторы названных типов выпускаются со следующими значениями допустимых отклонений сопротивления от номинального значения: + 5%; + 10%; + 20%. С целью снижения стоимости аппаратуры следует стремиться выбирать резисторы с наибольшим разбросом, допустимым по условиям работы схемы.

При выборе номинала следует убедиться, что необходимый номинал находится внутри пределов, предусмотренных для данного типа резистора. Например, резисторы типа ВС-0.25 имеют номинальные значения в пределах от 27 Ом до 5.1 мОм, резисторы типа ВС-2 – от 47 Ом до 10 мОм и т.д.

Пример. Для установки в цепи смещения транзисторного каскада требуется подобрать резистор, имеющий сопротивление 3510 Ом; расчетное значение тока, протекающего через резистор, равно 5.4 мА.

Выбираем тип резистора МЛТ. Определяем мощность, выделяемую в резисторе.

Р_р = I ² R = (5.4∙10^-3 ) ² 3510 = 0.092 Вт.

Выбираем номинальное значение мощности резистора.

Р _ном = 0.125 Вт.

Учитывая, что величина сопротивления данного резистора определяет режим работы транзистора и должна по возможности близко соответствовать расчетной, выбираем минимальную величину допуска D R = ±0.5 %.

По справочной таблице [4] убеждаемся, что необходимая нам величина сопротивления находится внутри диапазона сопротивлений, на которые изготавливается выбранный нами тип резистора.

По шкале номинальных значений выбираем ближайшую величину сопротивления

R _ном = 3.6 кОм.

Таким образом, нами выбран резистор МЛТ – 0.125 ± 5% 3.6 кОм.

 

 

Выбор конденсаторов

При выборе конденсаторов основными критериями являются расчетные значения емкости С и максимального напряжения U_m, а также род тока в цепи, где будет установлен конденсатор. Кроме этого учитываются и другие условия эксплуатации (частота переменного тока, температура окружающей среды и т.д.). В устройствах судовой автоматики наиболее часто применяются металлобумажные конденсаторы различных типов (МБГ, ОМБГ, МБГО, МБМ, МБГЧ и др.) и электролитические конденсаторы.

Металлобумажные конденсаторы используются для работы в целях постоянного, пульсирующего и переменного (только МБГЧ) напряжения, электролитические – только в цепях постоянного напряжения с невысоким уровнем пульсации. Преимущество электролитических конденсаторов – малые габариты по сравнению с металлобумажными, основной недостаток – нестабильность параметров и пониженный срок службы.

Типы конденсаторов различаются между собой номинальными рядами емкостей, номинальными рядами рабочих напряжений, вариантами конструктивных исполнений.

Выбор номинальных значений напряжения и емкости, а также конструктивного исполнения производят после определения типа конденсатора и только по таблицам, относящимся к конденсаторам данного типа.

Пример. Требуется подобрать конденсатор для установки в эмиттерной цепи усилителя. Расчетное значение емкости конденсатора 124 мкФ, напряжение на конденсаторе 4.8 В.

Поскольку конденсатор работает при постоянной полярности напряжения с малой пульсацией, в схему может быть установлен электролитический конденсатор.

Выбираем тип конденсатора К50 – 6.

По таблицам номиналов конденсаторов данного типа выбираем конденсатор К50 – 6 10 В 200 мкФ .

Задание для контрольной работы

а) подобрать по справочнику полупроводниковый диод. Режим работы диода указан в таблице 1.1.

Примечание. Здесь и далее: цифры внутри таблицы означают номер варианта задания. Необходимые параметры по данному варианту находят в верхней строке и левом столбце таблицы;

б) подобрать по справочнику транзистор, удовлетворяющий режиму работы, указанному в таблице 1.2. Мощность рассеяния на коллекторе при подборе транзистора не учитывать.

в) выбрать резистор для установки в схему, если известны расчетные данные (табл. 1.3).

г) выбрать конденсатор для установки в схему, если известны расчетные данные (табл. 1.4).

 

Таблица 8.2 - Режим работы транзистора

Максимальный ток коллектора Iк m, А	Максимальное напряжение на коллекторе Uкэ m, В
	10	20	30	40	50
0.13	1	2	3	4	5
0.25	6	7	8	9	10
0.5	11	12	13	14	15
1.5	16	17	18	19	20
2.6	21	22	23	24	25
3.0	26	27	28	29	30

Таблица 8.3 - Расчетные данные для выбора резистора

Расчетное значение тока I, А	Расчетное сопротивление, Ом
	2270	5368	8210	3220	458
0.012	1	2	3	4	5
0.025	6	7	8	9	10
0.033	11	12	13	14	15
0.045	16	17	18	19	20
0.063	21	22	23	24	25
0.095	26	27	28	29	30

Таблица 8.4 - Расчетные данные для выбора конденсатора

Напряжение U, В	Расчетное значение емкости, мкФ
	2270×10-4	5368×10-3	8210×10-5	322×10-2	458×10-3
16	1	2	3	4	5
20	6	7	8	9	10
30	11	12	13	14	15
40	16	17	18	19	20
60	21	22	23	24	25
80	26	27	28	29	30

Вопросы для самоконтроля:

1. Дайте определение резистора, как элемента электроники, приведите классификацию резисторов. Перечислите основные параметры резисторов и способы их обозначения. Перечислите виды и типы резисторов.

2. Дайте определение конденсатора, как элемента электроники, приведите классификацию конденсаторов. Перечислите основные параметры конденсаторов.

3. Дайте определение транзистора, как элемента электроники. Перечислите основные параметры транзисторов. Перечислите виды и типы резисторов.

4. Дайте определение диода, как элемента электроники. Перечислите основные параметры диодов и способы их обозначения. Перечислите виды и типы диодов.

Практическое занятие 9

Расчет маломощных выпрямителей, работающих на активную нагрузку