АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра теоретических основ электротехники

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

Программа, методические указания и контрольные задания для студентов специальности 050717 – Теплоэнергетика заочной ускоренной формы обучения

Алматы 2006

Составитель: А.С. Баймаганов. Основы электротехники и электроники. Программа, методические указания и контрольные задания для студентов специальности 050717 – Теплоэнергетика заочной ускоренной формы обучения. – Алматы: АИЭС, 2006. – 28 с.

Данная методическая разработка включает в себя программу курса, методические указания и задания к контрольной работе. Контрольная работа состоит из шести задач по основным разделам курса электротехники и электроники.

Программа курса, методические указания и задания к контрольной работе предназначены для студентов специальности 050717 – Теплоэнергетика заочной ускоренной формы обучения.

Ил. 14, табл. 8, библиограф. – 12 назв.

Печатается по плану издания Алматинского института энергетики и связи на 2005 г.

Ó Алматинский институт энергетики и связи, 2006 г.

Введение

Настоящая работа включает в себя программу, методические указания и задания к контрольной работе по дисциплине «Основы электротехники и электроники» для студентов специальности 050717 – Теплоэнергетика заочной ускоренной формы обучения.

Согласно учебному плану заочного факультета, на изучение этой дисциплины отводится всего 180 часов, из них 132 часа – на самостоятельную работу и 48 часов – на аудиторные занятия. Аудиторные занятия включают в себя: курс лекций – 24 часа, лабораторные работы – 12 часов и практические занятия – 12 часов. Студенты должны выполнить одну контрольную работу, представленную здесь.

Целью изучения дисциплины «Основы электротехники и электроники» является формирование необходимых знаний у студентов об основных методах расчета и физических процессах электрических цепей, трансформаторов, электрических машин, а также электронных устройств и измерительных цепей.

Контрольная работа состоит из шести задач, решение которых позволит овладеть методами расчета линейных электрических цепей постоянного и трехфазного синусоидального токов, а также усвоить основные положения теории аналоговых и цифровых электронных устройств.

1 Программа дисциплины «Основы электротехники и электроники»

1.1 Электрические цепи постоянного тока

Понятие об электрической цепи. Источники и приемники электроэнергии, и их внешние характеристики. Понятие об электрическом сопротивлении и проводимости. Электрические схемы. Законы Кирхгофа. Законы Ома для замкнутой цепи и для участка цепи. Эквивалентные преобразования в линейных электрических цепях.

Методы расчета линейных электрических цепей: метод единичного тока, метод контурных токов, метод узловых потенциалов.

Мощность элементов электрической цепи. Баланс мощностей. Условие передачи максимальной мощности от активного двухполюсника к пассивному.

Делители напряжения и тока, потенциометры, сумматоры напряжения, компенсаторы. Мостовые схемы, их основные свойства и область применения.

Нелинейные элементы электрических цепей и их вольтамперные характеристики. Понятие о нелинейной электрической цепи. Графоаналитические методы расчета нелинейных электрических цепей.

1.2 Электрические цепи однофазного синусоидального тока

Электромагнитные процессы в электрической цепи переменного тока. Идеализированные элементы и их основные свойства. Законы Кирхгофа в дифференциальной форме записи.

Представление синусоидальной функции времени вращающимся вектором на комплексной плоскости. Применение комплексных чисел для расчета синусоидальных режимов в линейных электрических цепях. Активное, реактивное и полное сопротивления двухполюсника. Активная, реактивная и полная проводимости двухполюсника. Комплексные сопротивления и проводимости идеализированных элементов.

Законы Кирхгофа и Ома в комплексной форме записи. Символические методы расчета линейных электрических цепей синусоидального тока: метод единичного тока, метод контурных токов, метод узловых потенциалов.

Векторные диаграммы напряжений и токов. Топографические диаграммы напряжений.

Колебания энергии, мгновенная мощность элементов электрической цепи. Активная, реактивная, полная и комплексная мощности. Коэффициент мощности и его технико-экономическое значение. Компенсация реактивной мощности.

Явление резонанса в простейших электрических цепях. Резонанс напряжений. Резонанс токов.

1.3 Трехфазные электрические цепи

Достоинства и недостатки трехфазных электрических цепей и причины их широкого применения.

Элементы трехфазных электрических цепей. Генератор симметричной трехфазной ЭДС. Симметричный трехфазный приемник электроэнергии. Способы соединения фаз обмоток генератора и фаз приемника. Фазные и линейные напряжения и токи. Векторные диаграммы напряжений и токов. Топографические диаграммы напряжений.

Четырехпроводная и трехпроводная электрические цепи. Расчет симметричного режима. Расчет несимметричного режима трехфазной электрической цепи со статической нагрузкой. Расчет и измерение активной, реактивной и полной мощностей в трехфазных электрических цепях.

1.4 Переходные процессы в линейных электрических цепях

Коммутация. Переходный процесс. Законы коммутации. Зависимые и независимые начальные условия. Постоянная времени электрической цепи. Длительность переходного процесса.

Классический метод расчета переходного процесса. Принужденная и свободная составляющая тока и напряжения. Составление характеристического уравнения электрической цепи методом входного сопротивления. Порядок электрической цепи. Виды характера переходного процесса. Критическое сопротивление. Порядок расчета переходных процессов классическим методом.

Операторный метод расчета переходного процесса. Законы Ома и Кирхгофа в операторной форме записи. Оригинал и изображение функции времени. Составление операторной схемы замещения. Определение изображения искомой функции времени. Определение оригинала функции по ее изображению, теорема разложения.

1.5 Электрические измерения

Электрические методы измерения неэлектрических величин. Прямые и косвенные измерения. Погрешности измерений. Понятие об аналоговом и цифровом приборах.

Счетчики электрической энергии. Измерение токов, напряжений, сопротивлений.

1.6 Электромагнитные устройства и трансформаторы

Виды электромагнитных устройств. Назначение магнитопровода. Свойства ферромагнитных материалов. Магнитные цепи с постоянной магнитодвижущей силой (МДС). Реальная и идеализированная магнитные цепи. Закон полного тока и его применение для анализа магнитной цепи.

Вебер-амперные характеристики. Неразветвленные и разветвленные магнитные цепи. Графоаналитические методы расчета магнитных цепей.

Трансформаторы. Назначение и область применения. Векторная диаграмма и схемы замещения трансформатора. Трехфазные трансформаторы. Группы соединения обмоток трансформаторов. Параллельная работа трансформаторов.

Измерительные трансформаторы тока и напряжения.

1.7 Электрические машины постоянного тока

Устройство и принцип действия машины постоянного тока (МПТ). Электродвижущая сила и электромагнитный момент МПТ. Реакция якоря.

Генераторы с независимым возбуждением и самовозбуждением. Генераторы с последовательным, параллельным и смешанным возбуждением.

Режим двигателя. Двигатели с последовательным, параллельным и смешанным возбуждением. Регулирование скорости вращения якоря двигателя. Пуск двигателя постоянного тока. Пусковой момент на валу якоря двигателя.

1.8 Асинхронные машины

Устройство трехфазной асинхронной машины. Вращающееся магнитное поле. Режимы работы трехфазной асинхронной машины. Скольжение. Электродвижущие силы, индуктируемые в обмотках статора и ротора. Токи в обмотке ротора.

Электромагнитный момент. Частота вращения ротора. Схема замещения. Энергетический баланс АД. Вращающий момент АД. Механическая характеристика АД.

Пуск АД. Асинхронные двигатели с фазным и короткозамкнутым роторами.

1.9 Синхронные машины

Устройство трехфазных синхронных машин. Режимы работы синхронной машины.

Получение синусоидальной ЭДС в синхронном генераторе. Уравнение электрического состояния, схема замещения и упрощенная векторная диаграмма фазы синхронного генератора (СГ).

Электромагнитный момент и угловая характеристика СГ. U-образная характеристика СГ. Регулирование активной и реактивной мощности СГ.

Электромагнитный момент и угловая характеристика СД. U-образная характеристика СД. Регулирование активной и реактивной мощности СД. Пуск СД.

1.10 Полупроводниковые приборы

Полупроводниковые резисторы, диоды, стабилитроны. Биполярные транзисторы. Полевые транзисторы. Тиристоры.

Интегральные микросхемы. Классификация интегральных микросхем по функциональному назначению и система их обозначения.

1.11 Усилительные каскады

Режимы работы усилительных каскадов. Усилители постоянного тока. Операционные усилители. Избирательные усилители. Усилители мощности.

1.12 Источники вторичного электропитания

Классификация источников электропитания. Однофазные и трехфазные выпрямители. Сглаживающие фильтры. Стабилизаторы напряжения.

1.13 Цифровые электронные устройства

Позиционные системы счисления. Логические элементы, триггеры, двоичные и десятичные счетчики. Шифраторы, дешифраторы и семисегментные индикаторы.

1.14 Микропроцессоры и микропроцессорные системы

Основные сведения о микропроцессорах. Внутренняя архитектура микропроцессоров. Базовые команды микропроцессоров. Запоминающие устройства. Устройства ввода/вывода. Микроконтроллеры.

2 Методические указания

2.1 Общие положения

Задания к контрольной работе приведены в следующей главе. Контрольная работа состоит из шести задач. Задачи имеют несколько вариантов схем и исходных данных. Номер варианта исходных данных студент выбирает по году поступления (четный или нечетный), последней и предпоследней цифрам номера зачетной книжки из соответствующих таблиц.

Контрольную работу следует оформлять в отдельной тетради в клетку. На обложке тетради указывается наименование института, кафедры, контрольной работы, фамилия, инициалы, а также номер зачетной книжки студента, выполнившего работу.

Каждая задача должна начинаться с задания, которое полностью переписывается, включая необходимые рисунки и исходные данные, согласно варианту задания. Расчет должен сопровождаться необходимыми пояснениями. Операции вычисления необходимо проводить с числами, размерности которых приведены к основным единицам системы СИ (В, А, Ом, Вт, вар, ВА и т.п.)

Все графические построения необходимо выполнять карандашом с соблюдением выбранных масштабов.

2.2 Методические указания по разделам программы дисциплины

К пункту 1.1 – При записи уравнений по закону Ома определяющим для выбора знаков слагаемых уравнения является направление тока, при записи уравнений по первому закону Кирхгофа определяющим также является направление тока «от узла» или «к узлу», при записи уравнений по второму закону Кирхгофа – направление обхода контура.

При изучении методов расчета электрических цепей необходимо четко представлять себе, для каких электрических цепей он справедлив, на каких законах основан и с помощью какого приема он позволяет упростить решение задачи.

К пункту 1.2 – Обратите внимание на то, что символические методы расчета справедливы только в синусоидальных режимах для линейных электрических цепей.

Необходимо помнить, что идеализированных элементов в природе не существует, но с их помощью можно составить расчетную схему реального элемента или устройства для заданных условий.

К пункту 1.3 – Основные достоинства трехфазных электрических цепей проявляются только в симметричном режиме работы.

К пункту 1.4 – Основной причиной существования переходных процессов является то, что энергия какого-либо объекта электрической цепи после коммутации не может измениться мгновенно. Так как в природе не существует источников бесконечной мощности, способных это сделать.

Характер и длительность переходного процесса зависят от параметров элементов электрической цепи.

К пункту 1.5 – Одним из основных критериев проведения измерений является погрешность измерения. Существует ряд методов измерения, которые позволяют тем или иным способом уменьшить погрешность измерения.

При использовании того или иного измерительного прибора необходимо четко представлять себе область его применения и класс точности.

К пункту 1.6 – Обратите внимание на подобие уравнений непрерывности линий магнитной индукции и первого закона Кирхгофа, закона полного тока и второго закона Кирхгофа, а также на подобие графоаналитических методов расчета магнитных цепей и нелинейных электрических цепей постоянного тока.

К пунктам 1.7, …1.9 – Принцип работы всех электрических машин, будь то двигатель или генератор, легко понять, применяя правила левой и правой руки. Правило левой руки определяет направление силы, действующей на проводник с током со стороны магнитного поля. Правило правой руки определяет направление ЭДС, генерируемой в проводнике, движущемся поперек линий магнитной индукции магнитного поля или, наоборот, при движении магнитного поля относительно неподвижного проводника.

Электрические машины в зависимости от их типа имеют различные механические характеристики и соответствующие достоинства и недостатки, а также области применения.

К пункту 1.10 – Обратите внимание на характеристики полупроводниковых материалов на основе кристаллов германия и кремния, их положительные и отрицательные стороны.

Сравните временные характеристики перехода из открытого в закрытое состояние, и наоборот, (ключевой режим работы транзистора) биполярного и полевого транзисторов.

К пункту 1.11 – Обратите внимание на влияние паразитной емкости коллекторного p-n перехода транзисторов на амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) усилительных каскадов.

Сравните КПД усилительных каскадов, работающих в различных режимах ( А, В, АВ или С), и в связи с этим их использование в предварительных (небольшая мощность) или выходных (большая мощность) каскадах усилителей.

Одним из основных недостатков усилителей постоянного тока (УПТ) является дрейф нуля. Обратите внимание на дифференциальную (балансную) схему УПТ, позволяющую значительно уменьшить дрейф нуля.

Необходимо также обратить особое внимание на роль отрицательной обратной связи (ООС) в усилителях.

К пункту 1.12 – Важнейшими характеристиками выпрямителей и инверторов являются, с одной стороны, коэффициент пульсаций и коэффициент формы выходного напряжения соответственно, с другой стороны, габариты, простота конструкции и стоимость устройства.

К пункту 1.13 – Необходимо отметить, что к базовым элементам цифровых электронных устройств (ЦЭУ) относятся интегральные логические элементы (ИЛЭ) и триггеры. В свою очередь, ЦЭУ делятся на два основных класса:

- комбинационные шифраторы и дешифраторы, мультиплексоры и демультиплексоры, арифметические и арифметико-логические устройства;

- последовательностные (включающие в себя элементы памяти) счетчики, регистры и запоминающие устройства.

К пункту 1.14 – Ознакомьтесь с типичной внутренней организацией микропроцессора (МП) и назначением отдельных его элементов. Обратите внимание на способы повышения быстродействия МП. Ознакомьтесь с базовой конфигурацией микропроцессорной системы (МС) и функциональным назначением входящих в нее устройств.

Необходимо ознакомиться с системой базового набора команд МП (команды передачи данных, арифметические и логические команды, команды переходов и команды управления), а также, с тремя основными типами команд: безадресные команды, одноадресные и двухадресные команды.

2.3 Пример расчета линейной электрической цепи постоянного тока

Рассмотрим электрическую цепь, схема которой приведена на рисунке 2.3.1.

Рисунок 2.3.1

Известны: ЭДС E=100В и сопротивления схемы R₁=26Ом, R₂=40Ом, R₃=25Ом и R₄=35Ом.

Составить систему уравнений по законам Кирхгофа. Рассчитать токи в ветвях схемы, используя формулы эквивалентных преобразований электрических цепей, и проверить результаты расчета. Рассчитать активные мощности источника и нагрузки. Проверить выполнение баланса активных мощностей в электрической цепи.

Составим систему уравнений по законам Кирхгофа. Схема содержит два узла и три ветви, следовательно, по первому закону Кирхгофа необходимо составить одно уравнение (на одно меньше чем количество узлов схемы), а по второму – два уравнения (число ветвей минус количество уравнений, составленных по первому закону Кирхгофа). Направления обхода двух независимых контуров схемы (выбираем произвольно) указаны на рисунке пунктирными стрелками. Направления токов в ветвях схемы также указаны стрелками на рисунке (выбираем произвольно).

Система уравнений, составленных по законам Кирхгофа для схемы на рисунке 2.3.1

Рассчитаем токи в ветвях схемы, используя формулы эквивалентных преобразований электрических цепей. Заменим последовательно соединенные резисторы R₃ и R₄ одним эквивалентным R_Э₁=R₃+R₄=25+35=60Ом. В полученной схеме, представленной на рисунке 2.3.2, заменим параллельно соединенные резисторы R₂ и R_Э₁ одним эквивалентным R_Э₂, где

Получим схему с одним контуром, представленную на рисунке 2.3.3. Входное сопротивление схемы относительно источника ЭДС

R_вх=R₁+R_Э2=26+24=50Ом.

Рисунок 2.3.2 Рисунок 2.3.3

По закону Ома для замкнутой цепи определим ток источника

Определим напряжение на участке 1-2. На основании второго закона Кирхгофа составим уравнение для контура с ЭДС в вышеприведенных схемах

и определим .

Напряжение U₁₂ можно определить также, пользуясь законом Ома для участка цепи 1-2 схемы на рисунке 2.3.3

Вернемся к исходной схеме на рисунке 2.3.1. На основании закона Ома для участка цепи определим токи I₂ и I₃

Чтобы проверить результаты расчета, подставим полученные числовые значения в уравнения, составленные на основании законов Кирхгофа

, т.е. ;

, т.е. .

Законы Кирхгофа выполняются, следовательно, результаты верны.

Рассчитаем мощность источника ЭДС .

Рассчитаем мощность нагрузки

Подставим числовые значения

Баланс мощностей выполняется. Результаты расчета верны.

2.4 Пример расчета линейной электрической цепи однофазного синусоидального тока

Рассмотрим электрическую цепь, схема которой приведена на рисунке 2.4.1.

Рисунок 2.4.1

Известны: ЭДС , В, частота f=1,5 кГц, активные сопротивления R₁=450Ом, R₂=640Ом, индуктивность L=75мГн и емкость C=0,25мкФ.

Составить систему уравнений по законам Кирхгофа в дифференциальной и символической форме записи. Рассчитать токи в ветвях схемы символическим методом, используя формулы эквивалентных преобразований электрических цепей. Построить векторную диаграмму токов схемы и по ней проверить результаты расчета на основании первого закона Кирхгофа. Рассчитать активную, реактивную и полную мощности источника, а также активную и реактивную мощности нагрузки. Проверить выполнение баланса активных и реактивных мощностей в электрической цепи.

Составим систему уравнений по законам Кирхгофа в дифференциальной форме записи. Схема содержит два узла и три ветви, следовательно, по первому закону Кирхгофа необходимо составить одно уравнение (на одно меньше чем количество узлов схемы), а по второму – два уравнения (число ветвей минус количество уравнений, составленных по первому закону Кирхгофа). Направления обхода двух независимых контуров схемы (выбираем произвольно) указаны на рисунке пунктирными стрелками. Направления токов в ветвях схемы также указаны стрелками на рисунке (выбираем произвольно).

Система уравнений, составленных по законам Кирхгофа в дифференциальной форме записи для схемы на рисунке 2.4.1

Система уравнений, составленных по законам Кирхгофа в символической форме записи для схемы на рисунке 2.4.1

Рассчитаем токи в ветвях схемы, используя формулы эквивалентных преобразований электрических цепей.

Комплекс действующего значения ЭДС

В.

Круговая частота синусоидального источника ЭДС

w=2pf=2p×1500=9424,8 рад./с.

Реактивные сопротивления индуктивности и емкости

706,9 Ом,

Ом.

Полное комплексное сопротивление первой ветви (R₁, L)

Z₁=R₁+jX_L=450+j706.9=838e^j^57,5^°Ом.

Заменим параллельно соединенные резистор R₂ и емкость С одним эквивалентным комплексным сопротивлением Z_Э₁

Z_Э195,2–j295 Ом.

Получим схему с одним контуром, представленную на рисунке 2.4.2.

Входное комплексное сопротивление схемы относительно источника ЭДС Z_вх=Z₁+Z_Э₁=450+j706,9+195,2–j295=645,2+j411,9=765,5e^j^32,6^°, Ом.

Рисунок 2.4.2

По закону Ома для замкнутой цепи рассчитаем ток источника

и определим , В.

Напряжение можно определить также, пользуясь законом Ома для участка цепи 1-2 схемы на рисунке 2.4.2

Вернемся к исходной схеме на рисунке 2.4.1. На основании закона Ома для участка цепи определим токи и

Для построения векторной диаграммы токов выберем масштаб токов m_i=0.02А/см.

Рассчитаем напряжения на элементах схемы

Для построения векторной диаграммы напряжений выберем масштаб напряжений m_u=10 В/см. Совмещенная векторная диаграмма токов и напряжений приведена на рисунке 2.4.3.

Рисунок 2.4.3

Чтобы проверить результаты расчета, можно подставить полученные числовые значения в уравнения, составленные на основании законов Кирхгофа, или построить векторные диаграммы токов и напряжений и на них проверить выполнение законов Кирхгофа, что и показано на рисунке 2.4.3.

Рассчитаем комплексную мощность источника ЭДС

где активная мощность P_ист.=11 Вт, реактивная Q_ист.=7,04 вар.

Рассчитаем активную и реактивную мощности нагрузки

Баланс активных мощностей выполняется. Баланс реактивных мощностей выполняется с погрешностью расчета

%, что допустимо. Следовательно, результаты расчета верны.

2.5 Пример расчета симметричного режима в трехфазной электрической цепи

Схема симметричной трехфазной электрической цепи приведена на рисунке 2.5.1.

Известны: линейное напряжение U_л=380 В и полное комплексное сопротивление фазы нагрузки Z_н=100e^j³⁰^°, Ом.

Рассчитать фазные и линейные напряжения и токи, построить топографическую диаграмму напряжений и векторную диаграмму токов.

Рассчитать активную, реактивную и полную мощности трехфазной нагрузки.

Рисунок 2.5.1

При соединении в звезду справедливы следующие соотношения между фазными и линейными напряжениями и токами

Следовательно, фазное напряжение .

Запишем комплексные действующие значения фазных напряжений

, , .

Комплексные действующие значения линейных напряжений

Рассчитаем фазные и линейные токи нагрузки по закону Ома для участка цепи .

В симметричном режиме токи в фазах «B» и «C» будут отличаться от тока в фазе «A» только начальной фазой на – 120° и +120° соответственно

, .

Ток в нулевом проводе .

Для построения топографической диаграммы напряжений и векторной диаграммы токов выберем масштабы для напряжений m_u=50 В/см и для токов m_i=1 А/см. Топографическая диаграмма напряжений и векторная диаграмма токов для симметричного режима трехфазной цепи представлены на рисунке 2.5.2.

Расчет активной (P), реактивной (Q) и полной (S) мощностей нагрузки

Рисунок 2.5.2

2.6 Пример расчета характеристик электрических машин

Схема электрической цепи двигателя постоянного тока параллельного возбуждения приведена на рисунке 2.6.1.

Рисунок 2.6.1

Известны номинальные параметры двигателя: номинальная мощность P_ном=185кВт, номинальное напряжение U_ном=600В, номинальный ток I_ном=340А, номинальная частота вращения n_ном=1650 об/мин, сопротивление обмотки якоря в нагретом состоянии R_я=0,051Ом и сопротивление обмотки возбуждения R_в=223 Ом.

Ток якоря I_{я. ном}=I_ном–I_{в. ном}=I_ном–U_ном/R_в=340–600/223=340–2,69=337,3 А.

Противо-э.д.с. якоря E_{я. ном}=U_ном–R_я×I_{я. ном}=600–0,051×337,3=582,8 В.

Номинальная электромагнитная мощность

P_{эм. ном} = E_{я. ном}×I_{я. ном} = 582,8×337,3 = 196578,4 Вт » 196,6 кВт.

Номинальный вращающий момент

М_ном= Н×м.

При определении сопротивления пускового реостата необходимо учесть, что в момент пуска двигателя его скорость вращения n=0, следовательно, противо-э.д.с. якоря также равна нулю E_я=c_E×n×Ф=0 и U_ном=(R_я+R_п)×I_п. Из последнего уравнения получим формулу для расчета сопротивления пускового реостата

Ом.

Сопротивление пускового реостата R_п. включается последовательно с обмоткой якоря для ограничения пускового тока.

Рассчитаем и построим естественную механическую характеристику двигателя n = f(М).

Вывод формулы. Учтем, что противо-э.д.с. якоря E_я=c_E×W×Ф и вращающий момент M=c_М×I_я×Ф, тогда

Из последнего уравнения получим искомую зависимость n = f(М)

где

Естественная механическая характеристика двигателя n = f(М) представляет собой прямую линию, поэтому ее можно построить по двум точкам:

точка 1 (n=1698,8 об/мин при M=0) и

точка 2 (n=n_ном=1650 об/мин при M= M_ном=1137,8Н×м.).

Естественная механическая характеристика двигателя n = f(М) представлена на рисунке 2.6.2.

Рисунок 2.6.2

2.7 Триггеры

Рассмотрим синхронный RS-триггер с динамическим инверсным входом синхронизации (C-входом). Его условное обозначение на электрической схеме представлено на рисунке 2.7.1.

Рисунок 2.7.1

Переходы триггера указаны в таблице 2.7.1, где обозначено: Q^t – выходное состояние триггера до момента подачи соответствующей комбинации уровней входных сигналов (R^t, S^t); Q^t⁺¹ – состояние триггера после отрицательного перепада синхроимпульса (от 1 до 0) на С-входе; А – активный уровень; П – пассивный уровень входного сигнала.

Таблица 2.7.1 – Переходы синхронного RS-триггера

№	R^t	S^t	C^t	Q^t	Q^t⁺¹	Режим
0	П	П.	1-0	Q^t	Q^t	Хранение
1	П	А	1-0	Q^t	1	Установка в 1
2	А	П	1-0	Q^t	0	Сброс в 0
3	А	А	1-0	Q^t	Не определено	Запрещенная комбинация на входах

Совмещенные временные диаграммы входных и выходных сигналов, характеризующие работу синхронного RS-триггера с динамическим инверсным входом синхронизации, представлены на рисунке 2.7.2.

Рисунок 2.7.2

2.8 Микропроцессоры и микропроцессорные системы

Микропроцессором называется программно-управляемое устройство на одной или нескольких интегральных микросхемах, осуществляющее обработку цифровой информации и управляющее этим процессом. Микропроцессор (МП) может принимать, дешифрировать и выполнять команды, представленные в двоичном коде.

МП включает в себя основные внутренние компоненты, такие, как арифметико-логическое устройство (АЛУ), реализующее множество арифметических и логических функций МП; узел синхронизации и управления, воспринимающий и генерирующий внешние управляющие сигналы; набор регистров для временного хранения кодов команд, данных, адресов и информации о внутреннем состоянии МП, и ряд вспомогательных компонентов, таких, как аккумулятор, внутренняя шина данных, буфер шины данных, буфер шины адреса, дешифратор команды.

МП бывают 4-х, 8-ми, 16-ти и 32- разрядными. Разрядность МП определяется числом бит данных, которое обрабатывается в одной операции АЛУ. Для передачи одного бита данных (0 или 1) необходим отдельный проводник.

Команды МП в двоичном коде очень громоздки и трудно идентифицируются человеком, поэтому для их записи часто используются шестнадцатеричная система счисления или мнемокоды. В шестнадцатеричной системе используют первые десять членов натурального ряда от 0 до 9, а в качестве остальных цифр – первые шесть латинских букв A=10, B=11, C=12, D=13, E=14, F=15. Число, записанное в шестнадцатеричной системе, может справа помечаться буквой H. Двоичная, шестнадцатеричная и десятичная системы счисления относятся к позиционным системам.

В общем случае n-разрядное положительное число N в произвольной системе счисления с основанием p представляется суммой вида

где a_k – отдельные цифры в записи числа, значения которых равны числам натурального ряда в диапазоне от 0 до (p – 1).

В качестве примера переведем число 9F7E, записанное в шестнадцатеричной системе, в двоичную и десятичную системы счисления.

Перевод из шестнадцатеричного кода в двоичный:

9F7E =1001 1111 0111 1110.

Перевод из шестнадцатеричного кода в десятичный: .

Перевод из двоичного кода в десятичный:

1001 1111 0111 1110 =

3 Задания контрольной работы

Задача 1. Расчет линейной электрической цепи постоянного тока

Для одной из схем, представленных на рисунке 3.1, по данным таблицы 3.2 необходимо:

- составить систему уравнений по законам Кирхгофа;

- рассчитать токи в ветвях схемы, используя формулы эквивалентных преобразований электрических цепей;

- проверить результаты расчета на основании законов Кирхгофа;

- рассчитать активные мощности источника и нагрузки;

- проверить выполнение баланса активных мощностей в электрической цепи.

Вариант схемы определяется таблицей 3.1.

Таблица 3.1 – Варианты электрических схем

Год поступления	Предпоследняя цифра зачетной книжки
Четный	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Нечетный	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
№ схемы	1	2	3	4	5	1	2	3	4	5

Таблица 3.2 – Параметры схем электрических цепей постоянного тока

Год поступления	Последняя цифра зачетной книжки
Четный	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Нечетный	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
E, В	20	30	40	50	60	70	80	90	100	110
R₁, Ом	10	15	20	25	30	35	40	45	50	55
R₂, Ом	25	30	35	40	45	50	55	60	65	70
R₃, Ом	15	20	25	30	35	40	45	50	55	60
R₄, Ом	5	10	15	20	25	30	35	40	45	50

Задача 2. Расчет линейной электрической цепи однофазного синусоидального тока

Для одной из схем, представленных на рисунке 3.2, по данным таблицы 3.3 необходимо:

- составить систему уравнений по законам Кирхгофа в дифференциальной и символической формах записи;

- рассчитать токи в ветвях схемы символическим методом, используя формулы эквивалентных преобразований электрических цепей;

- построить векторную диаграмму токов схемы и по ней проверить результаты расчета на основании законов Кирхгофа;

- рассчитать активную, реактивную и полную мощности источника, а также активную и реактивную мощности нагрузки;

- проверить выполнение баланса активных и реактивных мощностей в электрической цепи.

Вариант схемы определяется таблицей 3.1.

Таблица 3.3 – Параметры схем электрических цепей синусоидального тока

Год поступления	Последняя цифра зачетной книжки
Четный	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Нечетный	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
E_m, В	50	60	70	80	90	100	110	120	130	140
f, кГц	1,0	1,1	1,2	1,3	1,4	1,5	1,6	1,7	1,8	1,9
R₁, Ом	100	200	300	400	500	600	700	800	900	1000
R₂, Ом	200	300	400	500	600	700	800	900	1000	1100
L, мГн	20	40	55	70	80	90	95	100	105	110
C, мкФ	1,000	0,800	0,600	0,500	0,400	0,200	0,150	0,125	0,100	0,075

Схемы электрических цепей постоянного тока

Схема 1 Схема 2 Схема 3

Схема 4 Схема 5

Рисунок 3.1

Схемы электрических цепей однофазного синусоидального тока

Схема 1 Схема 2 Схема 3

Схема 4 Схема 5

Рисунок 3.2

Задача 3. Расчет симметричного режима трехфазной электрической цепи

В таблице 3.4 указаны варианты значений модуля z_н и аргумента j комплексного сопротивления фазы нагрузки. В таблице 3.5 – варианты значений линейного напряжения U_л и схемы соединения фаз нагрузки. Приняты следующие условные обозначения: Y – соединение в звезду и r – соединение в треугольник.

Необходимо:

- нарисовать схему соединения фаз нагрузки и указать направления фазных и линейных токов;

- рассчитать фазные и линейные напряжения и токи;

- построить топографическую диаграмму напряжений и векторную диаграмму токов;

- рассчитать активную, реактивную и полную мощности трехфазной нагрузки.

Таблица 3.4 – Параметры фазы симметричной трехфазной нагрузки

Год поступления	Последняя цифра зачетной книжки
Четный	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Нечетный	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
z_н, Ом	200	450	150	75	300	250	500	350	50	400
j_н	20^°	36^°	70^°	40^°	25^°	–36^°	–40^°	–70^°	–25^°	–20^°

Таблица 3.5 – Параметры симметричного трехфазного источника и схема соединения фаз нагрузки

Год поступления	Последняя цифра зачетной книжки
Четный	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Нечетный	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
U_л, В	50	100	150	200	250	300	350	400	450	500
Схема соед.	r	Y	Y	r	r	Y	Y	Y	r	r

Задача 4. Электрические машины

Варианты номинальных параметров двигателя постоянного тока параллельного возбуждения: номинальная мощность P_ном, номинальное напряжение U_ном, номинальный ток I_ном, номинальная частота вращения n_ном, сопротивление обмотки якоря в нагретом состоянии R_я и сопротивление обмотки возбуждения R_в – заданы в таблице 3.6.

Для своего варианта необходимо определить:

- номинальные ток якоря I_{я. ном}, противо-э.д.с. якоря E_{я. ном} и вращающий момент М_ном;

- сопротивление пускового реостата R_п., включаемого последовательно с обмоткой якоря для ограничения пускового тока до I_п = 2,5×I_{я. ном};

- рассчитать и построить естественную механическую характеристику двигателя n = f(М).

Таблица 3.6 – Номинальные параметры двигателя постоянного тока

Год поступления	Последняя цифра зачетной книжки
Четный	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Нечетный	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
P_ном, кВт	60	112	110	150	170	210	225	230	360	560
U_ном, В	275	375	550	550	550	825	750	550	750	700
I_ном, А	250	330	220	300	340	280	330	472	520	900
n_ном, об/мин	1650	1480	1500	1750	1520	1410	1290	570	1040	560
R_я, Ом	0,055	0,061	0,095	0,053	0,039	0,105	0,072	0,035	0,041	0,021
R_в, Ом	311	140	302	232	201	361	281	145	175	97

Задача 5. Триггеры

Для одного из синхронных RS-, JK- или D- триггеров с динамическим прямым входом синхронизации (С-вход) начертить его условное обозначение на электрической схеме, таблицу переходов триггера и построить совмещенные временные диаграммы входных и выходных сигналов, характеризующие работу триггера. Вариант типа триггера указан в таблице 3.7.

Таблица 3.7 – Варианты типа триггера

Год поступления	Последняя цифра зачетной книжки
Четный	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Нечетный	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
Тип триггера	RS	JK	D	RS	JK	D	RS	JK	D	RS

Задача 6. Микроконтроллеры

Представьте типичную блок-схему внутренней организации микроконтроллера и дайте краткое пояснение о назначении отдельных блоков.

Для своего варианта необходимо:

- составить алгоритмическую схему работы микроконтроллера для контроля одной из физических величин: «Т» – температура, «P» – давление, «Q» – расход, «L» – уровень;

- привести справочные данные микроконтроллера (тактовая частота, память, количество контактов I/O и их номинальный ток, периферия, особенности, тип корпуса) и дать краткое пояснение для каждого параметра [Л7, Л9];

- перевести в двоичную и десятичную системы счисления число H, заданное в шестнадцатеричной системе.

Варианты контролируемой физической величины, типа 8-разрядного микроконтроллера семейства PIC16X7XX фирмы «Microchip» или семейства AVR фирмы «Atmel», а также шестнадцатеричного числа H приведены в таблице 3.8.

Таблица 3.8 – Варианты контролируемой физической величины, типа микроконтроллера и шестнадцатеричного числа H

Год поступления	Последняя цифра зачетной книжки
Четный	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
Нечетный	9	8	7	6	5	4	3	2	1	0
Контролир. величина	T	P	Q	L	T	P	Q	L	P	L
Микро-контроллер	PIC16C711	PIC16C72	PIC16C74	PIC16C770	PIC16C774	AT90S2313	AT90S1200	AT90S8515	AT90S2323	AT90S8535
H	F57C	A2C9	B13D	25FF	D17E	92CE	F15A	E3A9	BA45	7D5B

Список литературы

1. Электротехника и электроника: Учебник для вузов. /Под ред. Б. И. Петленко. – М.: Академия, 2003. – 230 с.

2. Электротехника и электроника: Учебник для вузов. В 3-х кн. Кн.3. Электрические измерения и основы электроники. /Под ред. проф. В. Г. Герасимова. – М.: Энергоатомиздат, 1998. – 432 с.

3. Сборник задач по электротехнике и основам электроники: Учеб. пособие для неэлектротехн. спец. вузов./ Под ред. В. Г. Герасимова. – М.: Высш. шк., 1987.

4. Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях. Практикум на Electronics Workbench. В 2-х т. /Под ред. Д. И. Панфилова. – М.: ДОДЭКА, 1999. – т. 1. – Электротехника. – 304 с.

5. Электротехника и электроника в экспериментах и упражнениях. Практикум на Electronics Workbench. В 2-х т. /Под ред. Д. И. Панфилова. – М.: ДОДЭКА, 2000. – т. 2. – Электроника. – 288 с.

6. Гусев В. Г., Гусев Е. М. Электроника и микропроцессорная техника: Учебник для вузов. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2004. – 792 с.

7. Ульрих В. А. Микроконтроллеры PIC16X7XX. Изд. 2-е, перераб. и доп. – СПб: Наука и техника, 2002. – 320 с. с ил.

8. Таверенье К. PIC-микроконтроллеры. Практика применения: Пер. с фр. – М.: ДМК-Пресс, 2002. – 272 с. с ил.

9. Голубцов М. С., Кириченкова А. В. Микроконтроллеры AVR: от простого к сложному. Изд. 2-е, испр. и доп. – М.: СОЛОН-Пресс, 2004. – 304 с.

10. Микропроцессоры. В 3-х кн. Кн. 1 Архитектура и проектирование микро-ЭВМ. Организация вычислительных процессов: Учебное пособие для втузов. /Под ред. Преснухина Л. Н. – М.: Высш. шк., 2001. – 495 с. с ил.

11. Микропроцессоры. В 3-х кн. Кн. 2 Средства сопряжения. Контролирующие и информационно-управляющие системы: Учебное пособие для втузов. /Под ред. Преснухина Л. Н. – М.: Высш. шк., 2001. – 383 с. с ил.

12. Микропроцессоры. В 3-х кн. Кн. 3. Средства отладки, лабораторный практикум и задачник: Учебное пособие для втузов. /Под ред. Преснухина Л. Н. – М.: Высш. шк., 2001. – 351 с. с ил.