電子課程中“近似”條件初步探析

郎佳紅，程木田，周春雪

安徽工業(yè)大學(xué) 電氣信息學(xué)院 安徽馬鞍山 243002)

?

電子課程中“近似”條件初步探析

郎佳紅，程木田，周春雪

安徽工業(yè)大學(xué) 電氣信息學(xué)院 安徽馬鞍山 243002)

基于課時(shí)壓縮等原因，電工技術(shù)課程實(shí)際授課內(nèi)容進(jìn)一步壓縮，諸多知識(shí)點(diǎn)只是在給定假設(shè)條件下直接進(jìn)行講解，致使學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)理解不夠到位，對(duì)后續(xù)知識(shí)點(diǎn)或課程的學(xué)習(xí)造成一定的困擾。本文通過(guò)基本放大電路中“假設(shè)”條件展開(kāi)分析，促進(jìn)了學(xué)生深入掌握電路，提升融會(huì)貫通后續(xù)內(nèi)容或課程的學(xué)習(xí)能力，反應(yīng)了相關(guān)“假設(shè)”條件分析具有一定必要性。

電工技術(shù)課程；基本放大電路；假設(shè)條件；仿真

電工技術(shù)課程是眾多高校非電工科專(zhuān)業(yè)重要一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，對(duì)后續(xù)課程的學(xué)習(xí)，尤其對(duì)學(xué)生今后的工作和生活實(shí)際具有重要的作用或影響。近年來(lái)，隨著教育部“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的啟動(dòng)和在眾多高校具體實(shí)施，加快促進(jìn)了以強(qiáng)化大學(xué)生工程應(yīng)用能力以及創(chuàng)新能力提高。隨著社會(huì)需求發(fā)展和一系列措施的實(shí)施也極大地促進(jìn)了電工技術(shù)課程的教學(xué)方法、教學(xué)手段以及教學(xué)理念的變化。電工技術(shù)課程涉及的內(nèi)容非常地豐富，包括電路理論、電工理論、電機(jī)、模擬電子、數(shù)字、可編程控制技術(shù)等等，但是該類(lèi)課程教學(xué)受到課時(shí)壓縮、需求變化、授課對(duì)象等眾多條件的影響，致使課程教學(xué)內(nèi)容進(jìn)一步壓縮，諸如二極管、晶體管、運(yùn)算電路、電源電路相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的分析和計(jì)算，往往只給定近似條件直接展開(kāi)計(jì)算，并沒(méi)有對(duì)近似條件進(jìn)行展開(kāi)說(shuō)明，致使學(xué)生對(duì)問(wèn)題的理解具有一定的片面性、機(jī)械性，不能做到“知其然不知其所以然”融會(huì)貫通的深入掌握。而且，這樣教學(xué)方式對(duì)后續(xù)相關(guān)課程的學(xué)習(xí)很可能帶來(lái)“瓶頸”問(wèn)題。例如，正弦量為激勵(lì)源的動(dòng)態(tài)電路，很多高校往往忽略講解，致使學(xué)生對(duì)后續(xù)的電力系統(tǒng)暫態(tài)分析中相關(guān)內(nèi)容的理解就顯得不順暢。這可能影響部分學(xué)生學(xué)習(xí)信心。受到內(nèi)容量大、課時(shí)壓縮減少的實(shí)際情況下，在教學(xué)過(guò)程中，“近似”滿足條件的討論往往被忽略了，或者對(duì)此一筆帶過(guò)，一語(yǔ)概括，無(wú)疑增加了學(xué)生困惑，導(dǎo)致為什么可以這樣，為什么要這樣的疑問(wèn)的出現(xiàn)。若對(duì)近似計(jì)算的條件甚至只字不提，導(dǎo)致在題目的分析討論中，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)掌握不到位，題目的分析出現(xiàn)混淆。這些都是授課教師面對(duì)電工電子課程中眾多近似計(jì)算的知識(shí)點(diǎn)，需要厘清哪些“近似”滿足條件可以不講，哪些可以一語(yǔ)概括，哪些需要較為詳實(shí)地補(bǔ)充。哪些“近似”滿足條件必須講解，哪些不需要講解，哪些需要詳實(shí)分析，哪些可以一語(yǔ)帶過(guò)，是眾多授課教師面臨需要處理的一些問(wèn)題。本文針對(duì)靜態(tài)工作點(diǎn)穩(wěn)定偏置分壓電路的近似計(jì)算所需滿足近似條件展開(kāi)分析和討論。

1 分壓式偏置電路靜態(tài)工作點(diǎn)計(jì)算

任何電路在工作中，因器件老化、電源波動(dòng)、溫度升高都影響了電路的性能，其中溫度影響往往是最大的。基本放大電路中分壓式偏置電路，如圖1所示。

圖1 分壓式偏置電路

該電路具有為穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)性能。該電路靜態(tài)工作點(diǎn)的幾個(gè)參數(shù)是在近似條件下求取的，但是對(duì)近似條件課本中并沒(méi)有展開(kāi)說(shuō)明，更沒(méi)有說(shuō)“近似”帶來(lái)有多大影響，很多授課教師可能一語(yǔ)帶過(guò)，甚至只字不提。

對(duì)于靜態(tài)工作點(diǎn)計(jì)算，依據(jù)近似條件：

I2>>IB，I2=I2

(1)

得出：

(2)

從而列出靜態(tài)工作點(diǎn)的幾個(gè)參數(shù)表達(dá)式，如下：

UCE=VCC-IC·(RC+RE)

(3)

對(duì)于近似條件，在什么條件下成立，可能帶來(lái)多大誤差并沒(méi)有具體說(shuō)明。即使給定了元器件參數(shù)設(shè)置不合理的分壓式偏置電路，學(xué)生很可能還是按照以上條件進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，這可能帶來(lái)很多的誤差，甚至不切實(shí)際。

2 近似條件的理論分析

按照電路理論，有

(4)

可解得：

(5)

對(duì)于式(5)，要求近似條件I1≈I2滿足，則需要下列條件滿足：

(6)

對(duì)于式(6)，列出具體數(shù)據(jù)討論近似條件所引起誤差情況，見(jiàn)表1所示。

為了方便討論，取UBE=0.7V，VCC=12V，RB1=20kΩ，并令

從表1中，不難看出a變化對(duì)誤差的影響比較大，b的變化對(duì)誤差的影響相對(duì)比較小。究其原因，見(jiàn)圖2所示電路。電阻RB2支路與晶體管T的B、E極、電阻RE支路并聯(lián)，而晶體管T的B、E極、電阻RE支路并聯(lián)的等效電阻Ri≈(1+β)RE，當(dāng)a越小，即(1+β)RE>>RB2和I2>>IB，成立。

表1 參數(shù)變化引起的電流誤差比較表

圖2 晶體管從基極看進(jìn)去等效電阻

所以通常情況下，(1+β)RE大于10倍RB2以上，即a<0，就可以認(rèn)為近似條件滿足。

3 近似條件的仿真分析

在Multisim平臺(tái)環(huán)境搭建圖1電路，晶體管T為2N2219，電阻RB1為20kΩ，電阻RB2可調(diào)，其最大范圍40kΩ， RE為2kΩ，RC為2kΩ，具體搭建電路，如圖3所示。仿真相關(guān)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2所示。為更方便看出相關(guān)影響，將表2數(shù)據(jù)畫(huà)出圖4所示曲線。

表2 UB、I1、I2、IB近似計(jì)算與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比表

圖3 分壓式偏置電路仿真電路

圖4 仿真數(shù)據(jù)與近似計(jì)算數(shù)據(jù)曲線

從圖4中曲線不難看出，當(dāng)時(shí)，UB近似計(jì)算值與仿真值越來(lái)越接近，電流I1與電流I2越來(lái)越接近，兩者之差I(lǐng)B越來(lái)越小。這種情況與理論分析是一致的。

4 結(jié)論

從分壓式偏置電路靜態(tài)工作點(diǎn)求解的近似計(jì)算滿足條件展開(kāi)分析，理論計(jì)算還是仿真驗(yàn)證都能夠說(shuō)明，條件滿足(1+β)RE大于10倍RB2，近似分析計(jì)算是可以的，其所帶來(lái)的誤差是可以允許的。學(xué)生掌握相關(guān)近似條件，對(duì)于相關(guān)電路的分析和計(jì)算是很有幫助的，同時(shí)拓展學(xué)生的思維也是很有幫助的。對(duì)于電工技術(shù)課程中近似分析的內(nèi)容，授課教師應(yīng)根據(jù)需求的需要，有必要講解近似分析所需滿足的后臺(tái)條件。

[1] 秦曾煌, 電工學(xué)(第7版)[M].北京：高等教育出版社,2009

[2] 秦曾煌, 電工學(xué)簡(jiǎn)明教程(第2版)[M].北京：高等教育出版社,2007

[3] 邱關(guān)源, 羅先覺(jué). 電路(第4版)[M]. 北京: 高等教育出版社, 1999

[4] 童詩(shī)白, 華成英. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第4版)[M]. 北京: 高等教育出版社,2006

[5] 童詩(shī)白, 華成英. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第3版)[M]. 北京: 高等教育出版社,2001

[6] 吉培榮. 電工學(xué)[M]北京: 中國(guó)電力出版社,2012

Expansion and Analysis of the Condition of “Assumption” in the Course of Electrical Engineering

LANG Jia-hong，CHENG Mu-tian，ZHOU Chun-xue

Teaching time of the actual teaching content of the electrical engineering course is compressed by many factors influenced. a lot of knowledge points were taught directly in the actual teaching only under the given assumptions, and there is no further analysis on the assumption conditions . and it caused some difficulties that there were not enough students to understand the relevant knowledge and the follow-up to the knowledge point or curriculum. The “assumption” conditions were expansion analysis for the basic amplifier circuit in this paper, to promote the students to grasp the circuit, enhance learning ability to learn the follow-up content. “Assumptions” conditions be made for a certain further analysis or description is necessary really.

Electrical engineering course; Basic amplifying circuit; Assumed condition; Simulation

2016-10-02

郎佳紅(1973-)，男，安徽工業(yè)大學(xué)電氣信息學(xué)院副教授，工學(xué)碩士。

G426：TM1

A

1672-9994(2016)04-0054-03

【基金課題】：安徽省重大教學(xué)研究項(xiàng)目(2013ZDJY074)