Отношение работы а к соответствующему промежутку времени t называется

Теоретическая часть работа и мощность электрического тока.

Работа,
совершаемая
при перемещении положительного заряда
Q
вдоль некоторого неразветвленного
участка электрической цепи, не
содержащего источников электрической
энергии, от точки a
до
точки
b,
равна
произведению этого заряда на напряжение
U_ab
= U
между
концами участка: А
= QU.
При
равномерном движении заряда
в течение времени t,
т. е. постоянном токе I_а_b
= I,
заряд (количество
электричества)

Следовательно,
произведенная за время t
работа

Основной
единицей работы в системе СИ служит
джоуль
(Дж),
1
Дж= 1 В•А•с.

Для
оценки энергетических, условий важно
знать, сколь быстро совершается
работа. Отношением работы А
к
соответствующему промежутку
времени t
определяют
мощность

Основной
единицей мощности в системе СИ является
ватт
(Вт),
1
Вт = 1 Дж/с =1 В•А.
Это мощность, при которой за одну секунду
совершается работа в 1 Дж. Кратные единицы
измерения мощности:
милливатт (мВт), 1 мВт = 1•10^-3
Вт; киловатт (кВт), 1 кВт = 1•10³
Вт, и мегаватт (МВт), 1 МВт = 1•10⁶
Вт = 1•10³
кВт.

Основная
единица работы и энергии джоуль часто
слишком мала для
оценки энергетических установок.
Практической единицей измерения
электрической энергии служит киловатт-час
(кВт•ч),
т. е. работа, совершаемая при
неизменной мощности 1 кВт в течение 1 ч.
Так
как 1 Вт•с
= 1 Дж, то 1 Вт•ч
= 3600Вт-с= =
3600 Дж и 1 кВт•ч
= 3 600 000 Дж.

Для
резистивных. элементов выражение
мощности
в цепи постоянного тока можно
преобразовать, заменив в нем на основании
закона Ома (1.1) напряжение U
= r•I,
или
I
= U/r
= gU.
Получается
три выражения мощности резистивного
элемента с сопротивлением r
в
электрической цепи постоянного тока:

БАЛАНС МОЩНОСТЕЙ

В любой
электрической цепи должен соблюдаться
энергетический баланс
— баланс
мощностей:
алгебраическая
сумма мощностей
всех источников энергии (в частности
источников тока и источников
ЭДС или напряжения) равна арифметической
сумме мощностей
всех приемников энергии (в частности
резистивных элементов):

При учете внутренних
сопротивлений г_вт
источников мощность каждого
источника U_истI_ист
меньше развиваемой источником мощности
Е1_ИСТ
на
мощность потерь r_втI_вт.

Мощность источника следует
считать положительной и записывать в
уравнении баланса мощностей со знаком
плюс, если положительное
направление тока I_ист
совпадает с направлением действия ЭДС.
В противном случае эту мощность следует
считать отрицательной и
записывать со знаком минус (например,
для заряжаемого аккумулятора).

Для любых замкнутых цепей
сумма мощностей источников электрической
энергии Р_И,
равна сумме мощностей, расходуемых в
приемниках энергии Р_П.
Мощность источников указывает на то,
какое количество работы они могут
выполнить в электрической цепи каждую
секунду. Максимально допустимая мощность
приемников это то, что в нормальных
условиях может выдержать пассивный
элемент. Если превысить допустимую
мощность резисторов, обычно указываемую
на корпусе, то он может перегреться, его
проводящий слой разрушится, почернеет
окраска корпуса и деталь выйдет из
строя.

Мощность,
отдаваемая источниками ЭДС, равна.

где:

U —
ЭДС источника (В);

I — ток (А), протекающий
через этот источник, причем если
положительное направление тока совпадает
с направлением ЭДС, в противном случае
P = -UI.

Если в резисторе не происходит
химических реакций, то мощность выделяется
в форме тепла, согласно известному
закону Джоуля.

где:

I — постоянный ток (А), протекающий
через резистор;

P — мощность потерь,
измеряемая в ваттах (Вт);

R — сопротивление резистора (Ом).

Общее количество теплоты,
выделяемое током в цепи, не всегда
совпадает с соответствующим джоулевым
теплом. Так на месте контакта двух
различных проводников, помимо джоулева
тепла, выделяется также, так называемое
тепло Пельтье, зависящее от сторонних
ЭДС, определяемых в свою очередь
химической природой проводников, их
температурой и т.д. При наличии в
проводнике градиента температур в нем
выделяется еще и теплота Томсона. В
большинстве практических случаев при
небольших токах теплотой Пельтье и
Томсона можно пренебрегать.

Равенство выражений мощностей
источников и мощностей приемников
называется уравнением баланса мощностей.

Источник

Механическая работа, мощность и КПД механизма

1. Механическая работа (или работа силы над телом) – физическая величина, равная по модулю произведению силы на путь, пройденный телом вдоль направления этой силы. Если вектор силы перпендикулярен направлению движения тела, то совершаемая этой силой работа равна нулю; если вектор силы сонаправлен с направлением движения тела, то работу силы считают положительной; если вектор силы противоположен направлению движения тела, то работу силы считают отрицательной.

В случае, когда точка приложения силы перемещается в направлении действия силы, механическая работа А равна произведению модуля F силы на путь s, пройденный точкой приложения силы: А = Fs.
Единица работы в СИ 1 Джоуль (Дж) = 1 Нм.
«Золотое правило» механики с использованием понятия работы: никакой простой механизм не дает выигрыша в работе.

Таблица «Механическая работа, мощность и КПД»

2. Коэффициент полезного действия (КПД) – физическая величина, равная отношению полезной работы к полной совершённой работе. КПД показывает долю полезной работы от полной и, как и все доли, всегда имеет положительный знак и не имеет «своей» единицы для измерения. Значение КПД обычно выражают в процентах, которое нужно переводить в десятичную дробь для дальнейших вычислений.

Коэффициентом полезного действия (КПД) механизма называют отношение полезной работы А_пол к совершенной А_сов, выраженное в процентах: η = А_пол/А_сов · 100%.
КПД любого реального механизма меньше 100 % (из-за трения и из-за того, что сами механизмы и их части имеют некоторую массу).

3. Мощность действия – физическая величина, равная отношению механической работы ко времени, за которое она была совершена. Мощность характеризует быстроту (скорость) совершения работы. Мощность принято вычислять только для тех действий, в которых механическая работа положительна.

Мощностью N называют отношение совершенной работы А к промежутку времени t, за который эта работа совершена: N = A/t
Единица мощности в СИ 1 ватт (Вт) = 1 Дж/с.
Мощность можно выразить через силу и скорость с помощью формулы N = Fv.

Схема «Механическая работа. Мощность»

Конспект урока по физике в 7 класса «Механическая работа и энергия».

Смотреть задачи: 1) на механическую работу, 2) механическую мощность, 3) на КПД простых механизмов.

Следующая тема: «Простые механизмы. Блоки»

Источник

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

ДОНЕЦКОЙ НАРОДНОЙ РЕСПУБЛИКИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

«ДОНЕЦКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ»

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

ПО УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЕ

ОП.03 «Электротехника и электроника»

специальности 23.02.03 «Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта»

2019

Конспект лекций по дисциплине ОП.03 «Электротехника и электроника» специальности 23.02.03 «Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта»

Конспект лекций по дисциплине ОП.03 «Электротехника и электроника» предназначены для студентов, обучающихся по программе подготовки специалистов среднего звена, по специальности 23.02.03 «Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта». Конспект лекций содержит необходимые теоретические сведения процессах, которые происходят в электрических цепях постоянного и переменного тока, строении, принципе действия электроизмерительных приборов, электромагнитных аппаратов, электрических машин и их практическом использовании, строении, принципе действия электронных, ионных, фотоэлектронных и полупроводниковых приборов, которые применяются в современной электронной и автомобильной технике. Конспект лекций составлен для помощи студентам с целью систематизировать знания для освоения профессиональных и общекультурных компетенций. Конспект лекций составлен в соответствии с рабочей программой по дисциплине. Предназначен в помощь преподавателям и студентам для организации теоретического обучения по дисциплине ОП.03 «Электротехника и электроника».

Составитель: Бурьянова Валентина Александровна, преподаватель электротехники и электроники, квалификационной категории «специалист высшей категории»

Одобрено и рекомендовано с целью практического применения цикловой комиссией электротехники и автоматики

протокол № 1 от « 30 » августа 2019 г.

Председатель ЦК _________Л.Н. Корощенко

СОДЕРЖАНИЕ

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА 4

ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН 6

1 ПОЯСНЕНИЯ К НАПИСАНИЮ КОНСПЕКТА 7

Раздел 1. Электрические цепи постоянного тока 10

ТЕМА: Роль электротехники. Простейшая электрическая цепь. 10

ТЕМА: Электрическая цепь постоянного тока. Закон Ома. 13

ТЕМА: Способы соединения сопротивлений. Законы Кирхгофа. 17

ТЕМА: Электрическая работа и мощность. 24

Раздел 2. Электромагнетизм 28

ТЕМА: Магнитное поле и его характеристики. 28

ТЕМА: Явление электромагнитной индукции. 33

Раздел 3. Однофазные электрические цепи 36

ТЕМА: Переменный ток. 36

ТЕМА: Последовательное соединение R, L, C. 39

ТЕМА: Параллельное соединение R, L, C. Резонанс токов. 48

Раздел 4. Трёхфазные электрические цепи 51

ТЕМА: Получение трёхфазной ЭДС. Соединение звездой и треугольником. 51

Раздел 5. Электрические машины 56

ТЕМА: Трансформаторы 56

ТЕМА: Асинхронные электродвигатели. 62

ТЕМА: Двигатели постоянного тока . 65

Раздел 6. Полупроводниковые приборы 69

ТЕМА: Физические свойства полупроводников. 69

ТЕМА: Электронно-дырочный переход. Полупроводниковый диод. 72

ТЕМА: Биполярные транзисторы. 77

ТЕМА: Полевые транзисторы 86

ТЕМА: Полупроводниковые выпрямители. 90

ТЕМА: Сглаживающие фильтры. 95

ТЕМА: Полупроводниковые фотоприборы. 97

Список литературы 102

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Конспект лекций по дисциплине ОП.03 «Электротехника и электроника» предназначены для студентов, обучающихся по специальности 23.02.03 «Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта».

Конспект лекций относится к методическому обеспечению дисциплины ОП.03 «Электротехника и электроника» и содержит материал по дисциплине, отнесённый к теоретическому изучению в полном объёме

В современной жизни электричество применяется практически повсеместно, выступая посредником при передаче энергетических и информационных сигналов. Без электричества невозможно городское хозяйство и обеспечение жизнедеятельности людей. Без знания основ электротехники невозможно исследование природы Земли и околоземного пространства. Без электричества невозможно практически ни одно производство. Без электричества невозможно функционирование наземного и воздушного транспорта. Без электричества невозможны современные системы связи коммуникаций. Без электричества невозможны современные информационные технологии и internet.

Поэтому будущий специалист по техническому обслуживанию и ремонту автомобильного транспорта должен знать основные законы электротехники, конструкцию и принцип работы электротехнических и электронных приборов и уметь применять полученные знания на практике при диагностике и ремонте электрооборудования автомобильного транспорта.

Цель конспекта лекций: дать знания о процессах, которые происходят в электрических цепях постоянного и переменного тока, строении, принципе действия электроизмерительных приборов, электромагнитных аппаратов, электрических машин и их практическом использовании, строении, принципе действия электронных, ионных, фотоэлектронных и полупроводниковых приборов, которые применяются в современных схемах электрооборудования автомобильного транспорта.Дать знания о перспективных направлениях развития электротехнических и электронных устройств и устройств автоматизации производства.

Задачи: в результате изучения основных разделов дисциплины в пределах программы, студент должен обладать знанием о строении и принципе работы современного электротехнического и электронного оборудования, используемого при техническом обслуживании и ремонте автомобильного транспорта, составление с их помощью систем управления производством..

При изучении лекционного материала дисциплины «Электротехника и электроника» у студентов приобретают теоретические знания, формируются новые понятия, выясняются логические связки между ними, развивается интуиция и логика мышления.

Студенты должны знать основные свойства электрических и магнитных полей, основные электрические и магнитные явления, которые лежат в основе строения электрических и магнитных машин и аппаратов, основные законы электротехники (Ома, Ленца, Кирхгофа, Джоуля-Ленца, полного тока), единицы измерения электрических величин, условные обозначения электрических и магнитных элементов на схемах, правила построения и сборки электрических схем, правила техники безопасности при использовании электрических приборов, основные элементы конструкций и характеристики электроизмерительных приборов, трансформаторов, электродвигателей.

Конспект лекций по дисциплине ОП.03 «Электротехника и электроника» направлен на освоение следующих умений и знаний в соответствии с государственным образовательным стандартом среднего профессионального образования по специальности 23.02.03 «Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта», утвержденного приказом Министерства образования и науки ДНР от 20.10.2015 г. № 665.

В результате изучения дисциплины обучающийся должен уметь:

— пользоваться измерительными приборами;

— производить проверку электронных и электрических элементов автомобиля;

— производить подбор элементов электрических цепей и электронных схем.

В результате изучения дисциплины обучающийся должен знать:

методы расчета и измерения основных параметров электрических, магнитных и электронных цепей;
компоненты автомобильных электронных устройств;
методы электрических измерений;
устройство и принцип действия электрических машин.

Конспект лекций по дисциплине ОП.03 «Электротехника и электроника» входит в состав учебно-методического комплекса дисциплины ОП.03 «Электротехника и электроника».

ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН

Второе полугодие второго года обучения

Номер занятия	Темы лекций	часы
1	Раздел 1. Электрические цепи постоянного тока Роль электротехники. Простейшая электрическая цепь.	2
2	Электрическая цепь постоянного тока. Закон Ома.	2
3	Способы соединения сопротивлений. Законы Кирхгофа.	2
5	Электрическая работа и мощность.	2
6	Раздел 2. Электромагнетизм Магнитное поле и его характеристики.	2
7	Явление электромагнитной индукции.	2
9	Раздел 3. Однофазные электрические цепи Переменный ток. Электрические цепи переменного тока.	2
10	Последовательное соединение R, L, C. Резонанс напряжений.	2
12	Параллельное соединение R, L, C. Резонанс токов.	2
13	Раздел 4. Трёхфазные электрические цепи Получение трёхфазной ЭДС. Соединение звездой и треугольником.	2
15	Раздел 5. Электрические машины Трансформаторы	2
16	Асинхронные электродвигатели.	2
17	Двигатели постоянного тока.	2
18	Раздел 6. Полупроводниковые приборы Физические свойства полупроводников.	2
19	Электронно-дырочный переход. Полупроводниковый диод.	2
20	Биполярные транзисторы.	2
22	Полевые транзисторы	2
23	Полупроводниковые выпрямители.	2
24	Полупроводниковые усилители	2
26	Полупроводниковые фотоприборы.	2
	Всего за семестр	34
	Всего по дисциплине	54

1 ПОЯСНЕНИЯ К НАПИСАНИЮ КОНСПЕКТА

Как писать конспект.

Конспектирование можно отнести к тем умениям, которые достаточно высоко ценятся в образовательных учреждениях. Этот навык является особо важным в учебном процессе, так как обучающимся постоянно необходимы лекции для подготовки к занятиям, зачетам и экзаменам. Поэтому нет ничего странного в появлении вопроса о том, как писать конспект. Какие цели нужно преследовать? Для чего может потребоваться умение конспектирования? Следует перечислить основные пункты, которые ответят на этот вопрос. как писать конспект:

С помощью конспектирования можно научиться обрабатывать большой поток поступающей информации, придав ей совершенно иной вид, преобразив форму и тип.

Посредством конспектирования можно выделить все необходимые данные как в устном, так и в письменном тексте. Соответственно, обучающийся, который знает, как писать конспект, сможет решить учебную или научную задачу.

С помощью конспектирования можно спроектировать модель проблемы, как структурную, так и понятийную.

Конспект позволяет облегчить процесс запоминания текста. Он позволит улучшить умение понимать специальные термины.

Запись лекции в кратком и сжатом виде позволяет набрать достаточный объем информации, необходимый для написания гораздо более сложной работы, которая предстанет в виде докладов, рефератов, дипломных и курсовых работ, диссертаций, статей, книг.

Прежде чем понять, как писать конспект, надо разобраться, что это такое. Термин включает в себя два корня. Одним из них является слово «кон», означающее начало, сужение области действий, предел. В подобном сужении, сокращении и свертывании поступающих данных и скрыт основной смысл конспектирования. Под конспектом необходимо понимать вторичное создание источников в совершенно другой форме – свернутой и сжатой. Во всех словарях конспектирование определяется с позиции краткого изложения, краткой записи.

Основные требования, которые необходимо учитывать

Если вы хотите разобраться, как писать конспект, то должны понимать, что далеко не все виды кратких записей могут считаться конспектированием. Под термином подразумевается объединение конкретного плана, выписок и важных тезисов. Главное требование, которое во все времена предъявлялось к конспектам, – запись должна характеризоваться систематичностью, логичностью, связностью. Исходя из этого, можно сказать, что те выписки с несколькими пунктами плана, которые не отражают всей логики определенного произведения, не имеют смысловой связи, не могут считаться конспектом. Это следует понимать. Особенно если вы хотите разобраться, как правильно писать конспект.

Текст может быть использован другими людьми.

Краткая, сжатая, логически предоставленная информация, написанная кем-то одним, может быть использована другими людьми. Это связано с универсальностью данных. В связи с этим можно сказать, что к конспекту можно обратиться даже через некоторое количество лет после его написания, так как он обладает наиболее доступной формой в отличие от других записей.

Какие особенности необходимо учесть?

Хотите разобраться, как правильно писать конспект? Тогда надо ознакомиться с некоторыми особенностями его составления. Для определения полноты раскрытия темы должно хватить беглого просмотра. При этом читающий конспект человек должен понять характер текста, выявить его сложность по наличию специфических терминов. При конспектировании надо тщательно перерабатывать предоставленную информацию. При этом поможет повторное чтение и анализ, при котором можно разделить текст на несколько частей, отделив все ненужное. В конспекте должны быть выделены главные мысли – тезисы. Понятия, категории, определения, законы и их формулировки, факты и события, доказательства и многое другое. Все это способно выступить в роли тезиса.

Кроме того, одним из связующих элементов конспекта должна выступать внутренняя логика, которая не может быть заменена пространными переходами. Как уже было сказано, конспект должен обладать обязательной краткостью. И при этом он обязан основываться не только на главных положениях и выводах, но и на фактах. Надо приводить доказательства, примеры. Если утверждение не будет подкрепляться всем этим, то и убедить оно не сможет. Соответственно, его будет очень трудно запомнить. Поэтому, если вы хотите разобраться, как писать конспект урока, то надо понять, что не только основные положения должны быть записаны. Не надо пытаться избегать повторений. Особенно если они будут подводить к вопросу с другой стороны, или более выразительно его освещать.

Правила составления конспекта

Начнем с того, что преподаватель читает лекции быстро и не всегда акцентирует внимание на важных моментах, может не настаивать на записях.

Задача грамотного студента – самостоятельно распознать сильные и нужные стороны темы, записать их и желательно запомнить.

Так что вовсе необязательно конспектировать все сказанное на паре, важно научиться выделять главное.

Для этого существуют определенные правила:

1. Сокращения слов. Даже преподаватели рекомендуют делать сокращения, но только так, чтобы потом можно было разобрать, что написано.

В противном случае оформление подробного конспекта становится бессмысленным, а воспользоваться им с целью качественной подготовки к предстоящему экзамену вряд ли удастся.

2. Написание без окончаний. Как известно, в слове главная составляющая – это корень. Так почему бы не опускать ненужные окончания, которые итак понятны по смыслу?

Не стоит тратить дополнительное время при конспектировании новой темы, если поток информации из уст преподавателя непрерывный. Задумка хорошая, тем более ее поддерживают строгие педагоги.

3. Использование аббревиатур. Это поможет записать больше полезной информации в самые кратчайшие сроки с сохранением смысла содержания.

Сокращать таким способом можно не только слова, но также целые словосочетания, которые в итоге все равно будут доступны к пониманию.

4. Сокращение цифр. Вовсе не обязательно тратить драгоценное время на написание цифр буквами.

Можно всегда воспользоваться элементарными знаками математики и заменять цифрами слова и даже словосочетания, например, вместо больше, меньше, прибавить, отнять, сумма можно написать ,

5. Оформление конспекта. При написании конспекта желательно использовать ручки нескольких цветов, соблюдать отступы абзацев, выделять важные моменты в содержании, оставлять пустые строки для условного разделения тем и легкого восприятия, а также активно использовать цитаты, списки, перечни, подзаголовки.

6. Обязательная аккуратность. Преподаватели любят аккуратность во всем, и ведение конспекта – не исключение.

Если уделить этому важному моменту особое внимание, то конспект может повысить итоговую оценку и даже спасти «утопающего» на экзамене.

7. Важные пометки. На полях в конспекте желательно всегда делать пометки, можно графически, но так, чтобы они были понятны студенту во время подготовки к экзамену.

8. Правильно выбранная манера написания. Нельзя писать текст в конспекте без выделения темы, поскольку во время подготовки в голове будет каша, а осознание написанного так и не придет.

9. Почерк. Желательно, чтобы почерк был доступен и понятен не только студенту, но и преподавателю; мало ли, он поинтересуется написанным и будет крайне неприятно удивлен увиденным.

10. Пустые места в конспекте. Желательно не оставлять пробелов в тетради и памяти. Если что-то не успели записать, на перемене необходимо попросить конспект у более шустрого сокурсника и дописать недополученную информацию.

Так что написание конспекта – это тоже наука, которую желательно освоить еще на первом курсе.

ЛЕКЦИЯ 1.

Раздел 1. Электрические цепи постоянного тока ТЕМА: Роль электротехники. Простейшая электрическая цепь.

ПЛАН.

1. Роль электротехники.

2. Общие определения электрических цепей.

2.1. Простейшая электрическая цепь.

2.2. Источники электрической энергии.

2.3. Приемники электрической энергии.

ЛИТЕРАТУРА: [1], стр. 6 – 7 , 28 – 29

1. Роль электротехники.

Электротехника – это область науки и техники, которая занимается изучением электрических и магнитных явлений и их использованием в практических целях.

Удобство преобразования электрической энергии в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую…), возможность передачи на большие расстояния и простота распределения между потребителями обусловили преимущественное применение ее в промышленных электроприводах и технологических процессах, а также широкое использование в промышленности, на транспорте, в сельском хозяйстве и других отраслях народного хозяйства.

Одной из важнейших отраслей электротехники является электроэнергетика, которая рассматривает вопросы производства электрической энергии из других видов энергии природы; передачи электроэнергии на дальние расстояния, распределение ее между потребителями и преобразование электроэнергии в энергию другого вида – механическую, тепловую и т. д.

Электроника – это область электротехники, основанная на использовании электрических явлений в вакууме, газах, полупроводниках и других средах. Электроника рассматривает вопросы технического использования электронных ламп, ионных приборов, полупроводниковых приборов, фотоэлементов, солнечных батарей и других устройств. Электроника встречается в аппаратуре, выполняющей преобразование энергии, управление станками, поточными линиями, а также контроль за ними.

На основе электрификации все шире внедряется комплексная механизация и автоматизация производственных процессов. Современная электроника позволяет создавать миниатюрные устройства для вычислительных машин, автоматов, управления производственными процессами и контроля за ними.

В настоящее время многие процессы протекают столь быстро, что человек, управляющий ими, остро нуждается в многочисленных средствах, которые могли бы увеличить чувствительность его органов, быстроту реагирования на происходящие явления, увеличить его физические и умственные усилия. Такую помощь человеку оказывают различные устройства электронной автоматики, в первую очередь – ЭВМ или в более современном варианте – компьютеры. Если первоначально ЭВМ использовались только для выполнения вычислительных операций, то в настоящее время сфера применения компьютеров значительно расширилась в сторону решения разнообразных логических производственных задач. Быстрое развитие компьютерной техники позволяет совершенствовать работу систем автоматического управления, электротехнические устройства получения, обработки, передачи и отображения информации. Под обработкой информации следует понимать математические вычисления, инженерные расчеты, обработку статистических данных, прием сведений о состоянии контролируемого объекта, выработку команд управления для этих объектов и многие другие функции.

Широкое внедрение электротехники во все отрасли народного хозяйства и все большее внедрение электроники в промышленности и в быту настоятельно требуют знания студентами основных вопросов электротехники и электроники.

2. Общие определения электрических цепей.

2.1. Простейшая электрическая цепь.

Рис. 1.1

Простейшая электрическая цепь содержит источник электрической энергии (Е), приемник электрической энергии (П) и два линейных провода (Л1 и Л2), соединяющих источник с приемником энергии. Линейные провода подключены к источнику электрической энергии с помощью двух зажимов, называемых положительным (+) и отрицательным (-) полюсами.

2.2. Источники электрической энергии.

Источник электрической энергии – это устройство, преобразующее механическую, химическую, тепловую и другого вида энергию в энергию электрическую.

Источниками электрической энергии являются:

генераторы (рис.а) – устройства, приводимые в движение каким – либо механическим двигателем;
аккумуляторы и гальванические элементы (рис. б) – устройства, получающие электрическую энергию за счет химических реакций;
батареи гальванических элементов (рис. в).

Обычно на электрических схемах и в электрических расчетах используют идеальные источники электроэнергии: идеальный источник ЭДС (рис г) и идеальный источник тока (рис. д)

Рис. 1.2

2.3. Приемники электрической энергии.

Приемники электрической энергии – это устройства, преобразующие электрическую энергию в энергию тепловую, световую, механическую и энергию другого вида. В качестве приемников используются электродвигатели, электронагревательные приборы, осветительные приборы и другие.

Контрольные вопросы

1. Что изучает электротехника?

2. Что изучает электроника?

3. Как на развитие производства влияет развитие электроники?

4. Какие элементы содержит самая простая цепь электрического тока?

5. Что называется источником электрического тока?

6. Какие источники электрического тока вам известны?

7. Что называется приемником электрического тока?

8. Какие приемники электрического тока вам известны?

ЛЕКЦИЯ 2.

ТЕМА: Электрическая цепь постоянного тока. Закон Ома.

ПЛАН

1. Электродвижущая сила (ЭДС).

2. Электрическое сопротивление

3. Удельное электрическое сопротивление.

4. Зависимость сопротивления от температуры.

5. Закон Ома для замкнутой цепи.

6. Закон Ома для участка цепи

ЛИТЕРАТУРА: [1], стр. 29 – 42

1. Электродвижущая сила (ЭДС).

В замкнутой цепи электрический ток протекает под действием ЭДС источника энергии. В источнике ЭДС за счет сторонних сил (химических, механических и т. д.) происходит разделение заряда на внешних клеммах. При отсутствии тока в цепи ЭДС равен разности потенциалов на зажимах источника энергии. Также как и разность потенциалов, ЭДС измеряется в вольтах. Прибор для измерения разности потенциалов, ЭДС, называется вольтметром.

Рис. 2.1

2. Электрическое сопротивление

Противодействие электрической цепи прохождению электрического тока называется электрическим сопротивлением.

Устройство, включаемое в электрическую цепь с целью создания сопротивления, называется резистором.

Рис. 2.2

Единицей измерения сопротивления является Ом. Сопротивление в 1 Ом – это сопротивление линейного проводника, в котором при неизменной разности потенциалов в 1В проходит ток в 1А.

кОм = 1000Ом

мОм= 1000000Ом

Для оценки электрических свойств материалов проводника служит удельное сопротивление.

Удельное сопротивление – сопротивление проводника длиной в 1м и площадью поперечного сечения в 1мм².

 — удельное сопротивление.

Если проводник изготовленный из материала с удельным сопротивлением  имеет длину , м и площадь поперечного сечения S мм², то его сопротивление равно

измеряется Ом∙м

Регулируемое сопротивление называется реостатом.

Способность проводника пропускать электрический ток называется проводимостью и является величиной обратной сопротивлению.

;

Единица измерения проводимости Сименс.

3. Удельное электрическое сопротивление.

Для оценки электрических свойств материалов проводника служит удельное сопротивление.

Атомы разных веществ оказывают прохождению электрического тока неодинаковое сопротивление. Способность веществ проводить электрический ток характеризуется их удельным электрическим сопротивлением ρ. Для проводников в виде проводов, шин или лент единицей измерения принята Ом·мм²/м

Удельное сопротивление – сопротивление проводника длиной в 1м и площадью поперечного сечения в 1мм².

 — удельное сопротивление.

Из металлов наиболее высокой электропроводностью обладают серебро и медь, затем следует золото, хром, алюминий, марганец, вольфрам и т. д. Хуже проводят ток железо и сталь. В тех случаях, когда необходим материал с высоким сопротивлением (для различных нагревательных приборов, реостатов и пр.) применяют специальные сплавы: константан, манганин, нихром, фехраль.

Сопротивление прямолинейного проводника:

В таблице приведены значения удельного сопротивления некоторых проводниковых материалов, применяемых в электрическом оборудовании.

Наименование материала	Удельное сопротивление ρ при 20 ºС, Ом·мм²/м	Температурный коэффициент сопротивления α, 1 /ºС
Серебро	0,016	0,0035
Медь техническая	0,0172—0,0182	0,0041
Алюминий	0,0295	0,0040
Сталь	0,125—0,146	0,0057
Манганин (сплав меди, никеля и марганца)*	0,40—0,52	0,00003
Константан (сплав меди, никеля и алюминия)*	0,44	0,00005
Нихром (сплав никеля, хрома, железа и марганца)**	1,02—1,12	0,0001
Фехраль (сплав железа, алюминия, хрома и марганца)**	1,18—1,47	0,0008

* — сплавы для резисторов и измерительных приборов;

** — сплавы для электронагревательных приборов и реостатов.

Пример. Определить сопротивление контактного рельса длиной 1,5 км и площадью поперечного сечения 6 000 мм². Удельное электрическое сопротивление стали контактного рельса 0,12 Ом м/мм² при 15°.

Решение. По формуле R= ρl/s получаем:

R = 0,12·1500/6000 = 0,3 Ом.

4. Зависимость сопротивления от температуры.

Электропроводность материалов зависит от их температуры. В металлических проводниках при нагревании амплитуда и скорость колебаний атомов в кристаллической решетке металла увеличиваются, вследствие чего возрастает и сопротивление, которое они оказывают потоку электронов.

В технике применяются некоторые сплавы: фехраль, константан, манганин и другие, у которых в определенном интервале температур электрическое сопротивление меняется сравнительно мало.

О степени изменения сопротивления проводников при изменении температуры судят по температурному коэффициенту сопротивления α. Он представляет собой приращение сопротивления проводника при увеличении его температуры на 1 °С. В таблице приведены значения температурного коэффициента сопротивления для наиболее применяемых проводниковых материалов.

Сопротивление металлического проводника R_t при любой температуре t₁

R_t = R₀ [ 1 + α (t₁ – t₀ )];

где: — R₀— сопротивление проводника при некоторой начальной температуре t₀ (обычно при +20 °С);

(t₁ – t₀) — изменение температуры.

Пример. Определить сопротивление железной проволоки, нагретой до 200°C, если сопротивление ее при 0°C было 100 Ом.

r_t = r₀ [1 ± α (t – t₀)] = 100 (1 + 0,0066 × 200) = 232 Ом.

5. Закон Ома для замкнутой цепи.

Соотношение между ЭДС, сопротивлением и током в замкнутой цепи выражается законом Ома, который может быть сформирован так:

« Ток в замкнутой цепи прямо пропорционален ЭДС и обратно пропорционален сопротивлению всей цепи»

— сила тока.

— ЭДС источника

— сопротивление внешней части цепи

— вутреннее сопротивление источника

Если участок цепи не содержит источника энергии, то положительные заряды на этом участке перемещается из точки более высокого потенциала к точке более низкого потенциала. Эта разность потенциалов называется напряжением между началом и концом рассматриваемого участка.

6. Закон Ома для участка цепи “Ток на участке цепи прямо пропорционален напряжению на зажимах этого участка и обратно пропорционален его сопротивлению”

— напряжение на зажимах участка цепи.

— сопротивление

— напряжение на зажимах источника

— падение напряжения внутри источника энергии

Для измерения тока в цепи используется прибор, называемый амперметром.

Рис. 2.3

Режим, при котором сопротивление внутри цепи практически равно «0» называется коротким замыканием. Для защиты электротехнической аппаратуры от токов короткого замыкания применяют различные предохранительные устройства.

Контрольные вопросы

Что называют электродвижущей силой?
В каких единицах измеряют ЭДС?
В каких единицах измеряют силу тока?
С помощью какого прибора измеряют ЭДС?
С помощью какого прибора измеряют силу тока?
Что называют электрическим сопротивлением?
В каких единицах измеряют электрическое сопротивление?
Что называют удельным сопротивлением проводника?
Как зависит сопротивление проводника от его длины?
Как зависит сопротивление проводника от площади его поперечного сечения?
В каких единицах измеряют электрическое сопротивление?
Что называют электрической проводимостью?
В каких единицах измеряют электрическую проводимость?
Сформулируйте закон Ома для участка цепи.
Сформулируйте закон Ома для замкнутой цепи.
В чем сходство и отличие закона Ома для участка цепи и для всей цепи?
Почему при определении ЕДС источника тока посредством вольтметра необходимо разомкнуть цепь?
Какой режим называется коротким замыканием?

ЛЕКЦИЯ 3.

ТЕМА: Способы соединения сопротивлений. Законы Кирхгофа.

ПЛАН

1. Последовательное соединение резисторов.

2. Параллельное соединение резисторов.

3. Первый закон Кирхгофа.

4. Смешанное соединение.

5. Второй закон Кирхгофа.

6. Расчет сложных электрических цепей.

7. Расчет сложных электрических цепей по методу уравнений Кирхгофа.

ЛИТЕРАТУРА: [1], стр. 42 – 50

1. Последовательное соединение резисторов.

Г— генератор

Рис. 3.1

Предположим, это внешняя цепь генератора состоит из трех приемников энергии с сопротивлением R₁, R₂, R_3.

Соединение приемников, при котором каждый из них поочередно включен в одну замкнутую цепь, называется последовательным.

Сопротивление внешней цепи при последовательном соединении:

R=R₁+R₂+R₃

Общее сопротивление

R=R₀+R₁+R₂+R₃

Напряжение на зажимах источника энергии равно напряжению приложенному к внешней цепи.

, следовательно:

U = E-IR₀= IR-IR₀= IR₀+ІR₁ +IR₂ + IR₃ — IR₀, где IR₁= U₁ ……

U = U₁+U₂+U₃

Напряжение на зажимах генератора равно сумме напряжений на каждом из сопротивлений.

2. Параллельное соединение резисторов.

Рис. 3.2

Параллельно соединенными называются элементы цепи, находящиеся под одним и тем же напряжением.

Токи, где сходятся несколько проводников называются узлами (а,б).

Участки цепи соединяющих два соседних узла, называются ветвями.

3. Первый закон Кирхгофа.

Сумма токов, приходящих к узлу электрической цепи равна сумме токов уходящих от этого узла, или алгебраическая сумма токов в узловой точке электрической цепи равна нулю. Причем приходящие токи считаются положительными, а уходящие – отрицательными.

I = I₁ + I₂ + I₃ + I₄

I – I₁ – I₂ – I₃ – I₄ = 0

При параллельном соединении резисторов ток разветвляется по четырем ветвям (для данного примера), это уменьшает общее сопротивление , или увеличит общую проводимость цепи. Общая проводимость параллельно соединенных ветвей равна сумме проводимости каждой из ветвей.

Для параллельного соединения

G=G₁+G₂+G₃+G₄

Для параллельного соединения двух сопротивлений

Д ля параллельного соединения трех сопротивлений

4. Смешанное соединение.

Смешанным соединением называется соединение, при котором в одной цепи встречаются участки с последовательным и с параллельным соединениями. Если в электрической цепи резисторы соединенные параллельно между собой включены последовательно с другими резисторами или резисторы соединенные последовательно между собой включены параллельно с другими резисторами, то такое соединение называется смешанным.

Рис. 3.3

Параллельное включение резистора на участке электрической цепи на практике используется для уменьшения тока на данном участке, в частности такой параллельно включенный резистор называется шунтом и применяется для изменения пределов измерения токов амперметрами.

5. Второй закон Кирхгофа.

«Во всякой замкнутой электрической цепи алгебраическая сумма всех ЭДС равна алгебраической сумме падений напряжения на сопротивлениях, включенных последовательно в эту цепь»

6. Расчет сложных электрических цепей.

Пусть задана сложная электрическая цепь с напряжением U=300В:

Выполним расчет цепи по методу уравнений по закону Ома. Для этого будем находить участки цепи с четко определенным видом соединения резисторов. После нахождения сопротивления такого участка, начертим эквивалентную схему цепи, в которой вместо двух сопротивлений начертим одно — эквивалентное.

Найдем сопротивление R_7-8.

Найдем сопротивление R_6-8.

Найдем сопротивление R_5-8.

R_5-8=6 Ом

Найдем сопротивление R_4-8.

Найдем сопротивление R_3-8.

Найдем сопротивление R_2-8.

Найдем общее сопротивление цепи R.

Теперь рассчитаем токи во всех ветвях и напряжения на всех элементах цепи:

Расчет производим с использованием начерченных эквивалентных схем цепи, только теперь рассматриваем цепи в обратном порядке от рис. (з) к рис. (а).

Найдем общий ток цепи (рис. з).

Найдем напряжение U₁ (рис. ж).

10. Найдем напряжение U_2-8 (рис. ж).

11. Учитывая, что U_2-8 = U₂ = U_3-8 найдем токи в ветвях: I₂; I_3-8 (рис.е).

12. Учитывая, что I_3-8 = I₃ = I_4-8 найдем напряжения: U₃; U_4-8 (рис. д).

13. Учитывая, что U_4-8 = U₄ = U₅ = U_6-8 найдем токи в ветвях: I₄; I₅ ; I_6-8 (рис.г, в).

14. Учитывая, что I_6-8 = I₆ = I_7-8 найдем напряжения: U₆; U_7-8 (рис. б).

15. Учитывая, что U_7-8 = U₇ = U₈ найдем токи в ветвях: I₇; I₈ (рис.а).

ОТВЕТ: U₁ = 120В; I₁ = 60 А;

U₂ = 180В; I₂ = 30 А;

U₃ = 90 В; I₃ = А;

U₄ = 90 В; I₄ = 15 А;

U₅ = 90 В; I₅ = 9 А;

U₆ = 72 В; I₆ = 6 А;

U₇ = 18 В; I₇ = 4,5 А;

U₈ = 18 В; I₈ = 1,5 А;

7. Расчет сложных электрических цепей по методу уравнений Кирхгофа.

Пусть задана электрическая цепь, для которой известны величины сопротивлений всех резисторов, а также величина и направление всех ЭДС.

Перед составлением уравнений по законам Кирхгофа следует произвольно задать направление тока в ветвях, показав их на схеме стрелками. Если действительное направление тока в какой – либо ветви противоположно выбранному, то после решения уравнений этот ток получится со знаком минус. Число необходимых уравнений равно числу неизвестных токов, причем число уравнений по первому закону Кирхгофа должно быть на единицу меньше числа узлов цепи, остальные уравнения составляются по второму закону Кирхгофа. При составлении уравнений по второму закону Кирхгофа следует выбирать наиболее простые контуры и так, чтобы каждый из них содержал одну ветвь, не входившую в ранее составленные уравнения. Для удобства записи уравнений по второму закону Кирхгофа необходимо задать направление обхода контура (по часовой стрелке или против).

Составим уравнения для данного примера.

Количество неизвестных токов 5. Поэтому необходимо составить 5 уравнений Кирхгофа.

Количество узлов 3. Значит по первому закону Кирхгофа мы можем составить 3-1=2 уравнения.

По второму закону Кирхгофа составляем оставшиеся 5-2=3 уравнения.

Для узла а: — I₁+I₂+I₃ = 0.
Для узла б: I₁-I₃-I₄-I₅ = 0.
Для контура I: Е₁+Е₃=I₁R₁+I₁R₂+I₃R₃.
Для контура II: -Е₂-Е₃= -I₃R₃+I₄R₄.
Для контура III: Е₅-Е₆= — I₄R₄+ I₅R₅+ I₅R₆.

Контрольные вопросы

Что физически выражает первый закон Кирхгофа?
Сформулируйте второй закон Кирхгофа, запишите его в математической форме.
Какое соединение резисторов называют последовательным? Параллельным? Смешанным?
Как распределяются токи, напряжения при последовательном соединении резисторов? При параллельном соединении резисторов?
Почему ровно полное сопротивление цепи при последовательном соединении резисторов? При параллельном соединении резисторов?
Может ли сопротивление участка двух параллельно соединенных проводников быть больше (меньше) любимого из них? Объясните ответ.
По какой формуле выполняется расчет сопротивления для двух параллельно соединенных сопротивлений?
По какой формуле выполняется расчет сопротивления для двух последовательно соединенных сопротивлений?
Для сложной схемы, состоящей из нескольких контуров сколько уравнений составляют по первому закону Кирхгофа?
Сколько уравнений составляют по второму закону Кирхгофа?

ЛЕКЦИЯ 4

ТЕМА: Электрическая работа и мощность.

ПЛАН

1. Работа электрического тока.

2. Мощность электрического тока.

3. Закон Джоуля-Ленца:

4. Коэффициент полезного действия.

5. Баланс мощностей

ЛИТЕРАТУРА: [1], стр. 50 – 52

1. Работа электрического тока.

Работа, совершаемая при перемещении положительного заряда Q вдоль некоторого неразветвленного участка электрической цепи, не содержащего источников электрической энергии, от точки a до точки b, равна произведению этого заряда на напряжение U_ab = U между концами участка: А = QU. При равномерном движении заряда в течение времени t, т. е. постоянном токе I_аb = I, заряд (количество электричества)

Способность тела производить работу называется энергией этого тела.

Для переноса зарядов в замкнутой цепи источник электрической энергии затрачивает известную энергию, равную

E∙Q,

где E- это ЭДС источника,

Q-количество электричества, перенесенное через эту цепь.

Таким образом, источник энергии производит полезную работу.

A = U∙Q,

где U- напряжение на зажимах приемника. т.к. Q = I∙t, то

A = U∙I∙t = I²∙R∙t

Основной единицей работы в системе СИ служит джоуль (Дж), 1 Дж= 1 В•А•с.

2. Мощность электрического тока.

Для оценки энергетических, условий важно знать, сколь быстро совершается работа. Отношением работы А к соответствующему промежутку времени t определяют мощность

Мощностью называется работа, производимая (или потребляемая) в 1с.

Основной единицей мощности в системе СИ является ватт (Вт), 1 Вт = 1 Дж/с =1 В•А. Это мощность, при которой за одну секунду совершается работа в 1 Дж. Кратные единицы измерения мощности: милливатт (мВт), 1 мВт = 1•10^-3 Вт; киловатт (кВт), 1 кВт = 1•10³ Вт, и мегаватт (МВт), 1 МВт = 1•10⁶ Вт = 1•10³ кВт.

Основная единица работы и энергии джоуль часто слишком мала для оценки энергетических установок. Практической единицей измерения электрической энергии служит киловатт-час (кВт•ч), т. е. работа, совершаемая при неизменной мощности 1 кВт в течение 1 ч. Так как 1 Вт•с = 1 Дж, то 1 Вт•ч = 3600Вт-с= = 3600 Дж и 1 кВт•ч = 3 600 000 Дж.

Для резистивных. элементов выражение мощности в цепи постоянного тока можно преобразовать, заменив в нем на основании закона Ома напряжение U = R•I, или I = U/R = gU. Получается три выражения мощности резистивного элемента с сопротивлением r в электрической цепи постоянного тока:

3. Закон Джоуля-Ленца:

При прохождении электрического тока по проводнику, количество теплоты Q, выделяемое проводником, прямо пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника R и времени t в течение которого электрический ток протекал по проводнику.

4. Коэффициент полезного действия.

При превращении электрической энергии в другие виды энергии или наоборот не вся энергия превращается в требуемый вид энергии, часть ее непроизводительно затрачивается (теряется) на преодоление трения в подшипниках машин, нагревание проводов и пр. Эти потери энергии неизбежны в любой машине и любом аппарате.

Мощность отдаваемая источником энергии во внешнюю цепь является полезной мощностью P₂, а мощность получаемая источником извне (от источника механической, химической и т.д. энергии) – является потребляемой мощностью P₁.

Коэффициентом полезного действия называют отношения полезной мощности источника или приемника энергии P₂ к мощности потребляемой им P₁.

где — мощность расходуемая на преодоление потерь в источнике или приемнике тока.

К. п. д. всегда меньше единицы, так как в любой машине и любом аппарате имеются потери энергии. Иногда к. п. д. выражают в процентах. Так, тяговые двигатели электровозов и тепловозов имеют к. п. д. 86—92 %, мощные трансформаторы — 96—98 %, тяговые подстанции — 94—96 %, контактная сеть электрифицированных железных дорог — около 90 %, генераторы тепловозов — 92—94%.

Рассмотрим в качестве примера распределение энергии в электрической цепи (рис. 5.1). Генератор 1, питающий эту цепь, получает от первичного двигателя 2 (например, дизеля) механическую мощность Р_mx = 28,9 кВт, а отдает электрическую мощность Р_эл = 26 кВт (2,9 кВт составляют потери мощности в генераторе). Поэтому он имеет к. п. д. η_ген = Р_эл/Р_mx = 26/28,9 = 0,9.

Мощность Р_эл = 26 кВт, отдаваемая генератором, расходуется на питание электрических ламп (6 кВт), на нагрев электрических плиток (7,2 кВт) и на питание электродвигателя (10,8 кВт). Часть мощности ΔP_пр = 2 кВт теряется на бесполезный нагрев проводов, соединяющих генератор с потребителями.

Рис. 4.1 Схема преобразования энергии в электрической цепи

В каждом приемнике электрической энергии также имеют место потери мощности. В электрическом двигателе 3 потери мощности составляют 0,8 кВт (он получает из сети мощность 10,8 кВт, а отдает только 10 кВт), поэтому к. п. д. η_дв = 10/10,8 = 0,925. Из мощности 6 кВт, полученной лампами, лишь незначительная часть идет на создание лучистой энергии, большая часть ее бесполезно рассеивается в виде тепла. При рассмотрении электрических цепей наряду с определением токов и напряжений, действующих на отдельных участках, необходимо определять и передаваемую по ним мощность. При этом должен соблюдаться так называемый энергетический баланс мощностей. Это означает, что мощность, получаемая каким-либо устройством (источником тока или потребителем) или участком электрической цепи, должна быть равна сумме отдаваемой ими мощности и потерь мощности, которые возникают в данном устройстве или участке цепи.

5. Баланс мощностей

В любой электрической цепи должен соблюдаться энергетический баланс — баланс мощностей: алгебраическая сумма мощностей всех источников энергии (в частности источников тока и источников ЭДС или напряжения) равна арифметической сумме мощностей всех приемников энергии (в частности резистивных элементов):

Мощность источника следует считать положительной и записывать в уравнении баланса мощностей со знаком плюс, если положительное направление тока I_ист совпадает с направлением действия ЭДС. В противном случае эту мощность следует считать отрицательной и записывать со знаком минус (например, для заряжаемого аккумулятора).

Для любых замкнутых цепей сумма мощностей источников электрической энергии Р_И, равна сумме мощностей, расходуемых в приемниках энергии Р_П. Мощность источников указывает на то, какое количество работы они могут выполнить в электрической цепи каждую секунду. Максимально допустимая мощность приемников это то, что в нормальных условиях может выдержать пассивный элемент. Если превысить допустимую мощность резисторов, обычно указываемую на корпусе, то он может перегреться, его проводящий слой разрушится, почернеет окраска корпуса и деталь выйдет из строя.

Мощность, отдаваемая источниками ЭДС, равна.

P = U ∙ I

где:

U — ЭДС источника (В);

I — ток (А), протекающий через этот источник, причем если положительное направление тока совпадает с направлением ЭДС, в противном случае P = -UI.

Если в резисторе не происходит химических реакций, то мощность выделяется в форме тепла, согласно известному закону Джоуля.

P = I² ∙ R

где:

I — постоянный ток (А), протекающий через резистор;

P — мощность потерь, измеряемая в ваттах (Вт);

R — сопротивление резистора (Ом).

Равенство выражений мощностей источников и мощностей приемников называется уравнением баланса мощностей.

Контрольные вопросы

Что называется энергией тела?
Что называется мощностью?
Что называется коэффициентом полезного действия?
Может ли коэффициент полезного действия быть больше единицы (или 100%)?
Напишите закон Джоуля – Ленца в виде формулы.
Как зависит нагревание провода от сопротивления проводника?
Почему, как на ваш взгляд отдают преимущество медному проводу?
Что вы понимаете под балансом мощностей?

ЛЕКЦИЯ 5

Раздел 2. Электромагнетизм ТЕМА: Магнитное поле и его характеристики.

ПЛАН

1. Магнетизм и электромагнетизм

2. Определение направления силовых линий магнитного поля

3. Силовые характеристики магнитного поля

4. Гистерезис

5. Взаимодействие магнитного поля и проводника с током.

6. Взаимодействие проводников с током.

7. Магнитный поток.

ЛИТЕРАТУРА: [1], стр. 69 – 96

1. Магнетизм и электромагнетизм

Магнетизм – это особое проявление движения электрических зарядов внутри атомов и молекул, которое проявляется в том, что некоторые тела способны притягивать к себе и удерживать частицы железа, никеля и других металлов. Эти тела называют магнитными.

Материалы, обладающие магнитным моментом, которые могут намагничиваться называются парамагнитными(алюминий, олово, марганец и др.)

Материалы, внутренняя структура которых организована в виде особых областей – доменов (область с одинаковой ориентацией магнитных моментов атомов) и которые легко поддаются намагничиванию называются ферромагнитными (железо, сталь, чугун, никель)

Материалы, атомы которых не обладают магнитным моментом, и намагнитить которые невозможно называются парамагнитными (алюминий, олово, марганец и др.)

2. Определение направления силовых линий магнитного поля

Вокруг проводника с током образуется магнитное поле. Направление силовых линий этого магнитного поля определяется по правилу буравчика.

Правило буравчика для прямолинейного проводника с током:

» Если поступательное движение буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то вращательное движение его рукоятки указывает направление силовых линий магнитного поля»

Проволока согнутая спирально и состоящая из нескольких витков расположенных так, что их оси совпадают, называется соленоидом. Магнитное поле соленоида также определяется по правилу буравчика.

Правило буравчика для соленоида:

Если расположить ось буравчика вдоль оси соленоида и вращать рукоятку по направлению тока в витках соленоида, то поступательное движение буравчика укажет направление магнитных линий соленоида.

Линии магнитного поля изображают выходящими из северного полюса и входящими в южный полюс.

3. Силовые характеристики магнитного поля

Свойства тока возбуждать магнитное поле характеризуется магнитодвижущей силой F. Магнитодвижущая сила, приходящаяся на единицу длины магнитной линии называется напряженностью магнитного поля.

— напряженность

-магнитодвижущая сила

-длина магнитной линии

МДС — магнитодвижущая сила.

МДС катушки:

Где — число витков

где — радиус окружности с центром на оси проводника, проведенный через рассматриваемую точку поля.

Вокруг прямолинейного проводник и .

Если бы магнитное поле было создано не одним, а проводниками с током, то

или

Закон полного тока:

Магнитодвижущая сила вдоль контура равна полному току пронизывающему поверхность, ограниченную этим контуром или равна сумме произведений всех участков.

Интенсивность магнитного поля в каждой его точке характеризуется магнитной индукцией — силовой характеристикой поля. Единицей измерения магнитной индукции является Тесла(Тл).

Магнитная индукция и напряженность поля связана простым соотношением

где — абсолютная магнитная проницаемость.

Абсолютная магнитная проницаемость вакуума называется магнитной постоянной

Число, показывающее во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость данной среды больше магнитной проницаемости , называется относительной магнитной проницаемостью

4. Гистерезис (намагничивание и перемагничивание ферромагнетиков).

Рассмотрим намагничивание ферромагнитного материала, помещенного в магнитное поле. График зависимости между магнитной индукцией ферромагнетика (В) и напряженностью магнитного поля (Н) показана на рисунке.

Рис. 5.2

Кривая (1)соответствует первоначальному намагничиванию ферромагнитного материала. При некотором значении напряженности магнитного поля Н_нас. наступает магнитное насыщение ферромагнитного материала, что соответствует ситуации, когда все магнитные моменты атомов ориентированы в одном направлении.

С уменьшением напряженности магнитного поля, магнитная индукция ферромагнитного материала также будет уменьшаться (кривая 2), но остается несколько большей, чем в процессе намагничивания. Даже при уменьшении внешнего магнитного поля до нуля, магнитная индукция ферромагнитного материала не будет равной нулю.

Величина магнитной индукции, которая присутствует в ферромагнитном материале после снятия внешнего магнитного поля, называется остаточным магнетизмом (В₀).

Чтобы размагнитить намагниченный ферромагнитный образец, необходимо поместить его в магнитное поле противоположной полярности (кривая 3).

Напряжение поля, при котором сердечник размагничивается, называется коэрцетивной силой (Н_к).

Если продолжать увеличивать магнитное поле противоположной полярности, то снова наступит магнитное насыщение ферромагнитного материала. Далее весь процесс повторится, изменится только полярность ферромагнитного образца.

Кривая намагничивания и перемагничивания ферромагнитного материала называется петлей гистерезиса.

5. Взаимодействие магнитного поля и проводника с током (сила Ампера).

Если проводник, по которому протекает электрический ток внести в магнитное поле, то в результате взаимодействия магнитного поля и проводника с током, проводник будет перемещаться в ту или иную сторону. Направление перемещения проводника зависит от направления тока в нем и от направления линии магнитного поля и определяется по правилу левой руки, а сила, действующая на проводник, определяется выражением:

, где

-магнитная индукция поля.

-сила тока в проводнике

— длина проводника.

— угол между направлением тока в проводнике и силовой линей поля.

Правило левой руки:

Рис. 5.3

сли расположить левую руку так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь (полюс N- над ладонью, S — под ладонью), а вытянутые четыре пальца указывали направление тока в проводнике, то отогнутый большой палец покажет направление движения проводника.

6. Взаимодействие проводников с током.

Если два или несколько проводников по которым протекают электрические токи расположить параллельно то проводники в зависимости от направления тока в них будут взаимно притягиваться или отталкиваться.

Рис. 5.4

Проводники с одинаковым направлением тока – притягиваются.

Проводники с противоположным направлением тока – отталкиваются.

7. Магнитный поток.

Произведение магнитной индукции на площадь какой-либо поверхности S расположенной перпендикулярно направлению магнитных линий называется магнитным потоком пронизывающим эту поверхность

Вб=Тл · м²

Контрольные вопросы.

1. Что называется магнетизмом?

2. Какие материалы называются парамагнитными?

3. Какие материалы называются ферромагнитными?

4. Какие материалы называются диамагнитными?

5. Сформулируйте правило буравчика для прямого проводника с током.

6. Сформулируйте правило буравчика для соленоида.

7. Напишите в виде формулы закон полного тока.

8. Как магнитное поле действует на проводник с током?

9. Как взаимодействуют проводники с одинаковым направлением тока в них?

10. Как взаимодействуют проводники с противоположным направлением тока в них?

11. Что называется магнитным потоком?

ЛЕКЦИЯ 6

ТЕМА: Явление электромагнитной индукции.

ПЛАН.

1. Явление электромагнитной индукции.

2. Правило правой руки.

3. Самоиндукция. Индуктивность проводника.

4. Взаимоиндукция.

5. Закон Ома для магнитной цепи

ЛИТЕРАТУРА: [1], стр. 96 – 116

1. Явление электромагнитной индукции.

В о всяком проводнике, который при движении в магнитном поле пересекает магнитные линии, возбуждается ЭДС, получившая название ЭДС электромагнитной индукции , а само явление назвали электромагнитной индукцией. Величина ЭДС электромагнитной индукции определяется выражением:

,где

-магнитная индукция поля.

— длина проводника.

-скорость его движения

— угол между направлением проводника и силововой линей поля.

Рис. 6.1

Направление этой ЭДС определяется по правилу правой руки.

2 . Правило правой руки:

«Ладонь правой руки располагают так, чтобы магнитные линии входили в нее, а отогнутый под прямым углом большой палец совмещают с направлением движения проводника, тогда вытянутые пальцы укажут направление ЭДС».

если количество витков равно то

-потокосцепление

Рис. 6.2

роизведение числа витков проводника на пронизывающий их магнитный поток называется потокосцеплением, т.е. индуцированная в катушке ЭДС равна скорости уменьшения потокосцепления.

Правило Ленца.

Направление наведенной ЭДС таково, что вызванный ею ток противодействует причине возникновения ЭДС.

3. Самоиндукция. Индуктивность проводника.

Всякий контур электрической цепи с током, например каждый виток в катушке пронизывается собственным магнитным потоком, алгебраическая сумма которых называется потокосцеплением в катушке.

При изменении магнитного потока пронизывающего виток проволоки, в этом витке возникает ЭДС индукции. Подобное явление возникает и том случае, когда протекающий по витку ток изменяется по величине или направлению. Такой процесс возникновение ЭДС индукции называется самоиндукцией. Самоиндукцию можно наблюдать например при размыкании и замыкании цепи тока.

Если замкнутый проводник, состоит из одного витка проволоки, то магнитный поток пронизывающий контур этого проводника при постоянной магнитной проницаемости пропорционален току I протекающему по проводнику.

Обозначив коэффициент пропорциональности L.

Или

— индуктивность проводника.

Если рассматриваемый нами проводник представляет собой обмотку, содержащую витков, охватывающих один и тот же магнитный поток , то индуктивность такой обмотки.

где

Единица индуктивности – генри Гн

1Гн – это индуктивность такой цепи, в которой при равномерном изменении тока на 1А в с индуктивности ЭДС самоиндукции в 1В.

4. Взаимоиндукция

Явление возникновения индукционных токов в параллельных проводниках называется взаимоиндукцией. Взаимоиндукция наблюдается не только в моменты возникновения или исчезания тока, но и при всяком его изменении. Возникающая в подобных случаях ЭДС в цепях непосредственно не содержащих источников тока называется ЭДС взаимоиндукции.

Найдем выражение для ЭДС взаимоиндукции, которая индуцируется в катушках и .

Ток i₁, проходящий через катушку , создает магнитное поле, часть которого сцеплена с витками катушки , и количественно определяется потокосцеплением взаимоиндукции

Соответственно ток i₂ катушки создает потокосцепление взаимоиндукции

Здесь , — магнитное поле взаимоиндукции, перпендикулярное токам, их создающим.

Коэффициенті пропорциональности называют взаимными индуктивностями. В том случае, когда катушки не содержат ферромагнитного сердечника

Взаимная индуктивность зависит от числа витков катушек, их размеров и взаимного расположения, а также магнитных свойств .

5. Закон Ома для магнитной цепи

— магнитный поток (аналогичен силе тока)

-магнитодвижущая сила (аналогичен ЭДС)

— сопротивление магнитной цепи магнитному потоку.

-длина магнитного пути.

— сечение этого пути

— абсолютная магнитная проницаемость среды, в которой замыкается магнитный поток (аналогична удельной проводимости проводника).

Контрольные вопросы.

1. Когда возникает ЭДС индукции?

2. Что называется электромагнитной индукцией?

3. Сформулируйте правило правой руки.

4. Что называется потокосцеплением?

5. Сформулируйте правило Ленца.

6. Что называется самоиндукцией?

7. Каким образом величина ЭДС самоиндукции зависит от количества витков проводника?

8. Что называется взаимоиндукцией?

9. Каким образом величина ЭДС взаимоиндукции зависит от количества витков катушек и их взаимного расположения?

10. Сформулируйте закон Ома для магнитной цепи.

ЛЕКЦИЯ 7.

Раздел 3. Однофазные электрические цепи ТЕМА: Переменный ток. Электрические цепи переменного тока

ПЛАН.

1. Получение переменного тока с помощью генератора.

2. Основные определения и параметры переменного тока.

3. Активное сопротивление в цепи переменного тока. 4. Понятие действующего значения силы тока, напряжения.

ЛИТЕРАТУРА: [1], стр. 116 – 147

1. Получение переменного тока с помощью генератора.

Если электроны вместо поступательного совершают колебательное движение, то ток периодически через равные промежутки времени изменяется как по величине так и по направлению и называется переменным током.

С хема устройства простейшего генератора переменного тока показана на рис. В цепи электромагнита протекает постоянный ток и возбуждает постоянное магнитное поле. В магнитном поле электромагнита помещен виток из проводников 1 и 2. Концы витка соединены с металлическими кольцами, изолированными друг от друга и от корпуса. Кольца вращаются вместе с витком. К ним подведены неподвижные щетки 3, через которые к витку подключена внешняя нагрузка.

При повороте витка в магнитном поле в нем индуцируется ЭДС, величина которой описывается выражением:

, где

В – индукция магнитного поля электромагнита.;

v, l – скорость вращения витка и длина проводника в нем.

Как видно из этого выражения, индуцированная в витке ЭДС подчиняется синусоидальному закону. Поэтому изображают переменную ЭДС с помощью синусоиды.

2. Основные определения и параметры переменного тока.

Переменный ток изображают с помощью временной и векторной диаграмме.

Переменный ток описывают выражением

Возникает переменный ток в цепи под действием переменной ЭДС.

В данном случае — фазовый угол или фаза; амплитуда тока, ЭДС

Амплитудой называется максимальное значение, принимаемое переменной величиной за период колебания.

Промежуток времени необходимый для совершения ЭДС переменной полного цикла(круга) своих изменений называется периодом колебания (сек)

Число периодов в 1 секунду или величина обратная периоду называется частотой колебания. Измеряют частоту колебания в Герцах (Гц).

Из векторной диаграммы видно, что радиус – вектор совершает полный цикл своих изменений (1 оборот) в течении периода и при этом описывает угол . Следовательно выражение — представляет собой угловую частоту , т. е. скорость поворота радиус – вектора.

Таким образом, за время вектор совершает поворот на угол , который будет равен

Исходя из этого выражение для мгновенного значения тока, ЭДС, напряжения можем записать в след виде:

здесь — начальная фаза колебания

3. Активное сопротивление в цепи переменного тока.

Сопротивление проводника, не обладающего ни индуктивностью ни емкостью называется активным.

Обозначается

Рис. 7.3

В цепях переменного тока с чисто активным сопротивлением ЭДС, ток, напряжение совпадают по фазе ( ).

Соотношение между напряжением и током определяется в соответствии с законом Ома:

4. Понятие действующего значения силы тока, напряжения.

Для суждения о значении переменного тока его приравнивают к такому эквивалентному постоянному току, который протекая по такому же сопротивлению, что и переменный ток, производит одинаковое с ним тепловые действие, т.е. за один и тот же промежуток времени выделяется одинаковое количество теплоты. Такое значение переменного тока называется действующим.

Контрольные вопросы.

1. Что называется переменным током?

2. Как получают переменный ток?

3. Как устроен самый простой генератор переменного тока?

4. Напишите формулу переменного тока, полученного с помощью генератора.

5. Что называется амплитудой колебания?

6. Что называется периодом колебания?

7. Что называется фазой колебания?

8. Что называется начальной фазой колебания?

9. Что называется действующим значением переменного тока?

10. Чему равно действующее значение переменного тока?

ЛЕКЦИЯ 8

ТЕМА: Последовательное соединение R, L, C. Резонанс напряжений.

ПЛАН.

Индуктивность в цепи переменного тока.
Цепь переменного тока, содержащая активное и индуктивное сопротивление.
Емкость в цепи переменного тока.
Цепь переменного тока, содержащая активное сопротивление и емкость.
Цепи с последовательным соединением индуктивности емкости и активного сопротивления.
Построение векторной диаграммы.
Мощность цепи с последовательным соединением R, L, С.

8. Резонанс напряжений

ЛИТЕРАТУРА: [1], стр. 147 – 154

1. Индуктивность в цепи переменного тока.

Рис. 8.1

Цепь с индуктивностью представляет собой цепь, в которую включена катушка индуктивности. При переменном напряжении ток в катушке будет иметь меньшее значение. Это объясняется тем, что при переменном напряжении в катушке индуктивности возникает переменная ЭДС самоиндукции, которая складывается геометрически с приложенным напряжением и в результате оказывает влияние на ток.

ЭДС самоиндукции выражается формулой:

Ток в цепи, содержащей индуктивность , протекает под действием напряжения источника энергии и ЭДС самоиндукции возникающей в цепи вследствие изменения тока, т.е.

Для рассматриваемого случая будем считать, что величина активного сопротивления катушки пренебрежимо мала, т. е. R=0.

Амплитуда ЭДС самоиндукции пропорциональна скорости изменения тока во времени в зависимости от угловой частоты и амплитуды переменного тока выражается формулой

Действующее значение напряжения, приложенного к цепи с индуктивностью

откуда — закон Ома для цепи переменного тока, где

— индуктивное сопротивление Индуктивное сопротивление возрастает с увеличением частоты тока

Закон Ома для цепи переменного тока, содержащей только индуктивность:

2. Цепь переменного тока, содержащая активное и индуктивное сопротивление.

Приемник, включенный в цепь переменного тока, состоит из активного сопротивления R и индуктивности L, т. е. обладает индуктивным сопротивлением .

Положим, что по цепи проходит переменный ток, действующее значение которого I, с частотой, соответствующей угловой частоте , с начальной фазой . Ток I, проходя по активному сопротивлению, создает падение напряжения , которое называется активным напряжением.

Напряжение на активном сопротивлении совпадает по фазе с током. Напряжение на векторной диаграмме совпадает по направлению вектором тока , расположенным горизонтально. Так как рассматриваемая цепь обладает и индуктивностью, то для преодоления ЭДС самоиндукции потребуется напряжение , которое называется индуктивным напряжением. Вектор опережает вектор тока I на угол , т. е. на 90^о.

Напряжение на зажимах цепи равно геометрической сумме векторов

-вектор напряжения, определяющий своей величиной и направлением действующее напряжение в цепи.

Вектор U является гипотенузой прямоугольного треугольника, называемого треугольником напряжений. Из этого треугольника по закону Пифагора получим:

Или

откуда

— закон Ома для цепи переменного тока.

-полное сопротивление цепи.

Основываясь на этом равенстве, можем построить прямоугольный треугольник с катетами R, X_L и гипотенузой Z, называемый треугольником сопротивлений.

Рис. 8.2

3. Емкость в цепи переменного тока.

Специальное устройство включаемое в цепь с целью создание емкости, называется конденсатором представляет собой 2 и более пластины из проводящего материала, разделенные слоем диэлектрика. Емкость конденсатора определяется выражением

где — площадь пластин конденсатора.

— расстояние между пластинами

— относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика

При включении в цепь постоянного тока, ток через конденсатор не проходит и вся энергия источника приложена к конденсатору, на проводящих пластинах которого скапливается заряд.

При включении конденсатора в цепь переменного тока он периодически (с частотой сети) заряжается и разряжается. Изменение заряда за малый промежуток времени

Проанализировав полученное выражение, можем сделать выводы:

1) , где (Ом)- емкостное сопротивление конденсатора, т.е. ; Емкостное сопротивление уменьшается с увеличением частоты тока

2) Ток опережает напряжение на угол .

Рис. 8.3

Соотношение между напряжением и током определяется в соответствии с законом Ома:

4. Цепь переменного тока, содержащая активное и емкостное сопротивление.

Приемник, включенный в цепь переменного тока, состоит из активного сопротивления R и емкости С, т. е. обладает емкостным сопротивлением .

Напряжение на активном сопротивлении совпадает по фазе с током. Напряжение на векторной диаграмме совпадает по направлению вектором тока , расположенным горизонтально. Так как рассматриваемая цепь обладает и емкостным сопротивлением, то ток I, проходя через конденсатор c указанным емкостным сопротивлением Х_С создает еще напряжение , которое называется емкостным напряжением. Вектор отстает от вектора тока I на угол , т. е. на 90^о.

Напряжение на зажимах цепи равно геометрической сумме векторов

-вектор напряжения, определяющий своей величиной и направлением действующее напряжение в цепи.

Вектор U является гипотенузой прямоугольного треугольника, называемого треугольником напряжений. Из этого треугольника по закону Пифагора получим

Или

откуда

— закон Ома для цепи переменного тока.

-полное сопротивление цепи.

Основываясь на этом равенстве, можем построить прямоугольный треугольник с катетами R, X_С и гипотенузой Z, называемый треугольником сопротивлений.

Рис. 8.4

5. Цепи с последовательным соединением индуктивности емкости и активного сопротивления.

Рис. 8.5

; — закон Ома для цепи переменного тока

Для такой цепи полное сопротивление Z вычисляется по формуле:

где

Из треугольника напряжений получим:

, т. е.

Для треугольника сопротивлений:

Разделив левую и правую части уравнения на ток I, получим:

6. Построение векторной диаграммы.

Построение векторной диаграммы начинаем с вектора тока , который откладываем вдоль оси ОХ. Вектор напряжения на активном сопротивлении совпадает по направлению с вектором тока , поэтому вектор также откладываем вдоль оси ОХ. Вектор напряжения на индуктивности опережает вектор тока на угол , поэтому вектор откладываем вертикально вверх из конца вектора . Вектор напряжения на емкости отстает от вектора тока на угол , поэтому вектор откладываем вертикально вниз из конца вектора . Результирующий вектор соединяет начало вектора с концом вектора .

7. Мощность цепи с последовательным соединением R, L, C.

Мощность, потребляемая цепью с последовательным соединением

-полная мощность [В*А]

,где

-активная мощность [Вт]

— реактивная мощность [вар]

8. Резонанс напряжений

Для цепи на рис.8.6 имеет место

Рис. 8.6

де

;

(1)

(2)

В зависимости от соотношения величин и возможны три различных случая.

1. В цепи преобладает индуктивность, т.е. , а следовательно,

. Этому режиму соответствует векторная диаграмма на рис. 8.7,а.

Рис. 8.7

2. В цепи преобладает емкость, т.е. , а значит, . Этот случай отражает векторная диаграмма на рис. 8.7,б.

3. — случай резонанса напряжений (рис. 8.7,в).

Параметры цепи при резонансе напряжений

Если , то в цепи будет действовать чисто активное напряжение

это явление носит название резонанса напряжений и выполняется при условии

— резонансная частота и циклическая резонансная частота, т.е. частота на которой выполняется условие резонанса

При резонансе напряжений или режимах, близких к нему, ток в цепи резко возрастает. В теоретическом случае при R=0 его величина стремится к бесконечности. Соответственно возрастанию тока увеличиваются напряжения на индуктивном и емкостном элементах, которые могут во много раз превысить величину напряжения источника питания.

Пусть, например, в цепи на рис. 8.6 . Тогда , и, соответственно, .

Явление резонанса находит полезное применение на практике, в частности в радиотехнике. Однако, если он возникает стихийно, то может привести к аварийным режимам вследствие появления больших перенапряжений и сверхтоков.

Физическая сущность резонанса заключается в периодическом обмене энергией между магнитным полем катушки индуктивности и электрическим полем конденсатора, причем сумма энергий полей остается постоянной.

Суть дела не меняется, если в цепи имеется несколько индуктивных и емкостных элементов. Действительно, в этом случае , и соотношение (3) выполняется для эквивалентных значений L_Э и C_Э.

Как показывает анализ уравнения (3), режима резонанса можно добиться путем изменения параметров L и C, а также частоты. На основании (3) для резонансной частоты можно записать

(4)

Контрольные вопросы.

1. Чему равняется угол сдвига фаз между током и напряжением в цепи, содержащей индуктивность?

2. Что называется индуктивным сопротивлением? Написать выражение для индуктивного сопротивления.

3. Как изменится индуктивное сопротивление, если частота переменного тока уменьшится?

4. Чему равняется угол сдвига фаз между током и напряжением в цепи, содержащей индуктивность и активное сопротивление?

5. Чему равняется полное сопротивление цепи, содержащей индуктивность и активное сопротивление?

6. Начертите треугольник сопротивлений для цепи, содержащей индуктивность и активное сопротивление?

7. Чему равняется угол сдвига фаз между током и напряжением в цепи, содержащей емкость?

8. Что называется емкостным сопротивлением? Написать выражение для емкостного сопротивления.

9. Как изменится емкостное сопротивление, если частота переменного тока уменьшится?

10. Чему равняется угол сдвига фаз между током и напряжением в цепи, содержащей емкость и активное сопротивление?

11. Чему равняется полное сопротивление цепи, содержащей емкость и активное сопротивление?

12. Начертите треугольник сопротивлений для цепи, содержащей емкость и активное сопротивление?

13. Чему равняется полное сопротивление при последовательном соединении активного, индуктивного, емкостного сопротивлений?

14. Напишите закон Ома для цепи с последовательным соединением активного, индуктивного, емкостного сопротивлений.

15. Объяснить понятие активного и реактивного напряжения для цепи с последовательным соединением активного, индуктивного, емкостного сопротивлений.

16. Объяснить понятие активной и реактивной мощности для цепи с последовательным соединением активного, индуктивного, емкостного сопротивлений.

17. При каких условиях напряжение опережает ток, а при каких напряжение отстает от тока?

18. При каких условиях возникает резонанс напряжений в цепи с последовательным соединением активного, индуктивного, емкостного сопротивлений?

ЛЕКЦИЯ 9

ТЕМА: Параллельное соединение R, L, C. Резонанс токов.

ПЛАН.

1. Параллельное соединение R, L, С.

2. Построение векторной диаграммы.

3. Резонанс токов.

ЛИТЕРАТУРА: [1], стр. 154 – 162

1. Параллельное соединение R, L, C.

Рис. 9.1

Для цепей с параллельным соединением элементов, напряжения на концах обоих ветвей одинаковые ( ). Токи рассчитываются для каждой ветви в отдельности, а затем суммируется, сопротивление также рассчитывается для каждой ветви.

;

В цепях с параллельным соединением R, L, C токи имеют активную и реактивную составляющую

;

где

;

Для цепи с параллельным соединением активное и реактивное составляющие тока суммируются в отдельности, т.е. в неразветвленной части цепи ток равен:

Для нахождения полной мощности цепи также отдельно суммируются активные Р и реактивные Q мощности для каждой ветви.

В неразветвленной части цепи мощности равны:

;

2. Построение векторной диаграммы.

Построение векторной диаграммы начинаем с вектора напряжения , который откладываем вдоль оси ОХ. Вектор активной составляющей тока совпадает по направлению с вектором напряжения , поэтому векторы также откладываем вдоль оси ОХ. Вектор реактивной составляющей тока на индуктивности отстает от вектора напряжения на угол , поэтому вектор откладываем вертикально вниз из конца вектора . Вектор реактивной составляющей тока на емкости опережает вектор напряжения на угол , поэтому вектор откладываем вертикально вверх из конца вектора . Результирующий вектор соединяет начало вектора с концом вектора .

3. Резонанс токов.

Если в цепи с параллельным соединением R,L,C сумма реактивных составляющих равна 0, I_p=I_p1=I_p2=0, то это явление носит название резонанс токов. Условием резонансов токов является равенство реактивных проводимостей обоих ветвей. Возможно это на резонансной частоте.

Контрольные вопросы.

1. Напишите закон Ома для цепи с параллельным соединением активного, индуктивного, емкостного сопротивлений.

2. Объяснить понятие активного и реактивного напряжения для цепи с параллельным соединением активного, индуктивного, емкостного сопротивлений.

3. Объяснить понятие активной и реактивной мощности для цепи с параллельным соединением активного, индуктивного, емкостного сопротивлений.

4. Для цепи с параллельным соединением активного, индуктивного, емкостного сопротивлений при каких условиях ток випереджує напряжение, а при которых ток отстает от напряжения?

5. При каких условиях возникает резонанс токов в цепи с параллельным соединением активного, индуктивного, емкостного сопротивлений?

ЛЕКЦИЯ 10.

Раздел 4. Трёхфазные электрические цепи ТЕМА: Получение трёхфазной ЭДС. Соединение звездой и треугольником. ПЛАН.

1. Понятие трехфазной системы переменного тока.

2. Получение трехфазного переменного тока.

3. Схема соединения звездой.

4. Схема соединения треугольником.

5. Мощность трехфазной цепи.

ЛИТЕРАТУРА: [1], стр. 164 – 180

1. Понятие трехфазной системы переменного тока

Трехфазная(симметричная) система переменного тока называют сеть непостоянного тока, в которой действуют 3 ЭДС, одинаковой амплитуды и частоты но взаимно смещенные по фазе на одну треть периода, т.е. на 120⁰ или . Отдельные цепи составляющие трехфазную систему называют фазами.

2. Получение трехфазного переменного тока.

Рис. 10.1

Рис. 10.2

сли внутри неподвижного статора, имеющего 3 смещенные на 120⁰ по отношению друг к другу обмотки, вращать постоянный магнит, то при пересечении проводников – обмоток магнитным полем, в них будет индуцироваться ЭДС. Причем эти 3 ЭДС будут сдвинуты одна по отношению к другой на 120⁰, а амплитуды их будут равны по величине.

О бмотки генератора, обозначаются A-x, B-y, C-z. Причем A,B,C- начало обмоток, x,y,z-концы обмоток.

От генератора отходят 6 проводов соответствующих началу и концу каждой из обмоток. С целью уменьшения числа соединительных проводов, применяют соединение выводов катушек определенным образом. Наибольшее распространение получили соединение звездой (четырехпроводная) и треугольником (трехпроводная линия).

3. Соединение звездой

Концы x,y,z соединяют между собой в общую точку О и от нее отводят провод, который называют нулевым, а к началам обмоток присоединяют провода, которые называют линейными и обозначают А,В,С

Линейное напряжение – это напряжение между любыми двумя линейными проводами

Фазное напряжение – напряжение между любых из линейных проводов и нулевым проводом.

Рис. 10.3

Для схемы соединения звездой соотношение между линейным и фазным напряжением

4. Схема соединения треугольником.

Е сли к концу первой обмотки присоединить начало второй. К концу второй – начало третьей, а к концу третьей начало первой таким образом, что все 3 обмотки включены в замкнутый контур, то такое соединение называют треугольником.

Рис. 10.4

Л инейным током называют ток, протекающий в линейном проводе.

Фазным током называют ток, ток протекающий в обмотке генератора

Соотношение между линейным и фазным токами для соединения треугольником.

5. Мощность трехфазной цепи.

В трехфазных цепях, так же как и в однофазных, пользуются понятиями активной, реактивной и полной мощностей.

Соединение потребителей звездой

В общем случае несимметричной нагрузки активная мощность трехфазного приемника равна сумме активных мощностей отдельных фаз

P = P_a + P_b + P_c,

где P_a = U_a I_a cos φ_a; P_b = U_b I_b cos φ_b; P_c = U_c I_c cos φ_c;
U_a, U_b, U_c; I_a, I_b, I_c – фазные напряжения и токи;
φ_a, φ_b, φ_c – углы сдвига фаз между напряжением и током.

Реактивная мощность соответственно равна алгебраической сумме реактивных мощностей отдельных фаз

Q = Q_a + Q_b + Q_c,

где Q_a = U_a I_a sin φ_a; Q_b = U_b I_b sin φ_b; Q_c = U_c I_c sin φ_c.

Полная мощность отдельных фаз

S_a = U_a I_a; S_b = U_b I_b; S_c = U_c I_c.

Полная мощность трехфазного приемника

При симметричной системе напряжений (U_a = U_b = U_c = U_Ф) и симметричной нагрузке (I_a = I_b = I_c = I_Ф; φ_a = φ_b = φ_c = φ) фазные мощности равны P_a = P_b = P_c = P_Ф = U_Ф I_Ф cos φ; Q_a = Q_b = Q_c = Q_Ф = U_Ф I_Ф sin φ.

Активная мощность симметричного трехфазного приемника

P = 3 P_Ф = 3 U_Ф I_Ф cos φ.

Аналогично выражается и реактивная мощность

Q = 3 Q_Ф = 3 U_Ф I_Ф sin φ.

Полная мощность

S = 3 S_Ф = 3 U_Ф I_Ф.

Отсюда следует, что в трехфазной цепи при симметричной системе напряжений и симметричной нагрузке достаточно измерить мощность одной фазы и утроить результат.

Соединение потребителей треугольником

P = P_ab + P_bc + P_ca,

где P_ab = U_ab I_ab cos φ_ab; P_bc = U_bc I_bc cos φ_bc; P_ca = U_ca I_ca cos φ_ca;
U_ab, U_bc, U_ca; I_ab, I_bc, I_ca – фазные напряжения и токи;
φ_ab, φ_bc, φ_ca – углы сдвига фаз между напряжением и током.

Реактивная мощность соответственно равна алгебраической сумме реактивных мощностей отдельных фаз

Q = Q_ab + Q_bc + Q_ca,

где Q_ab = U_ab I_ab sin φ_ab; Q_bc = U_bc I_bc sin φ_bc; Q_ca = U_ca I_ca sin φ_ca.

Полная мощность отдельных фаз

S_ab = U_ab I_ab; S_bc = U_bc I_bc; S_ca = U_ca I_ca.

Полная мощность трехфазного приемника

При симметричной системе напряжений (U_ab = U_bc = U_ca = U_Ф) и симметричной нагрузке (I_ab = I_bc = I_ca = I_Ф; φ_ab = φ_bc = φ_ca = φ) фазные мощности равны P_ab = P_bc = P_ca = P_Ф = U_Ф I_Ф cos φ; Q_ab = Q_bc = Q_ca = Q_Ф = U_Ф I_Ф sin φ.

Активная мощность симметричного трехфазного приемника

P = 3 P_Ф = 3 U_Ф I_Ф cos φ.

Аналогично выражается и реактивная мощность

Q = 3 Q_Ф = 3 U_Ф I_Ф sin φ.

Полная мощность

S = 3 S_Ф = 3 U_Ф I_Ф.

Так как за номинальные величины обычно принимают линейные напряжения и токи, то мощности удобней выражать через линейные величины U_Л и I_Л.

При соединении фаз симметричного приемника звездой U_Ф = U_Л / , I_Ф = I_Л, при соединении треугольником U_Ф = U_Л, I_Ф = I_Л / . Поэтому независимо от схемы соединения фаз приемника активная мощность при симметричной нагрузке определяется одной и той же формулой

P = U_Л I_Л cos φ.

где U_Л и I_Л – линейное напряжение и ток; cos φ – фазный.

Обычно индексы «л» и «ф» не указывают и формула принимает вид

P = U I cos φ.

Соответственно реактивная мощность

Q = U I sin φ.

и полная мощность

S = U I.

При этом надо помнить, что угол φ является углом сдвига фаз между фазными напряжением и током, и, что при неизмененном линейном напряжении, переключая приемник со звезды в треугольник его мощность увеличивается в три раза:

Δ P = Υ 3P.

Контрольные вопросы.

1. Что называют трехфазной (симметричной) системой переменного тока?

2. С помощью какого устройства получают трехфазный ток?

3. Как устроен самый простой генератор трехфазного тока?

4. Что представляет собой схема соединения звездой?

5. Что называется линейным напряжением?

6. Что называется фазным напряжением?

7. Напишите формулу соотношения между линейным и фазным напряжениями для схем соединения звездой.

8. Напишите формулу соотношения между линейным и фазным током для схемы соединения звездой.

9. Что представляет собой схема соединения треугольником?

10. Что называется линейным током?

11. Что называется фазным током?

12. Напишите формулу соотношения между линейным и фазным током для схемы соединения треугольником.

13. Напишите формулу соотношения между линейным и фазным напряжениями для схем соединения треугольником.

ЛЕКЦИЯ 11.

Раздел 5. Электрические машины ТЕМА: Трансформаторы

ПЛАН.

1. Назначение трансформаторов.

2. Конструкция трансформатора. 3. Принцип работы трансформатора.

4. Трёхфазные трансформаторы

5. Автотрансформатор.

6. Режимы работы трансформаторов

6.1. Режим холостого хода.

6.2. Режим короткого замыкания.

6.3. Работа трансформатора под нагрузкой.

ЛИТЕРАТУРА: [1], стр. 182 – 196

1. Назначение трансформаторов

Трансформатор представляет собой статическое электромагнитное устройство для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при неизменной частоте.

Трансформаторы используемые в сетях распределения электроэнергии называют силовыми.

Кроме силовых широкое распространение получили трансформаторы специального назначения: сварочные, электропечные, испытательные, импульсные, высокочастотные, для выпрямительных установок и преобразования частоты.

Для включения в схему измерительных приборов служат измерительные трансформаторы.

Для регулирования напряжения в небольших пределах используют автотрансформаторы.

2. Конструкция трансформатора

Трансформатор представляет собой магнитопровод собранный отдельных пластин, изолированных лаком (такая конструкция называется шихтованной). Различают магнитопроводы стержневого и броневого типов. Магнитопровод стержневого типа представляет собой П-образную конструкцию. На каждый стержень одевается обмотка. Магнитопровод броневого типа представляет собой Ш-образную конструкцию. На средний стержень одеваются две обмотки, которые оказываются защищенными (бронированы) с двух сторон магнитопроводом.

Обмотки (катушки) трансформатора представляют собой каркас, на который намотана проволока. В зависимости от мощности трансформатора обмотки могут иметь провод различного сечения. Форма катушек трансформатора может быть круглая, овальная, прямоугольная.

Для уменьшения магнитных потерь стремятся к тому, чтобы катушка повторяла форму магнитопровода, т.е. чтобы воздушный зазор между катушкой и магнитопроводом был минимальным. От обмоток отводится по 2 вывода для подключения первичного напряжения и для передачи в нагрузку вторичного напряжения.

3.Принцип работы трансформатора

Одна обмотка трансформатора (называется первичной) включается в сеть переменного тока. Переменный ток, проходя по виткам обмотки, возбуждает переменное магнитное поле. Это магнитное поле с помощью магнитопровода передается во вторичную обмотку. Во вторичной обмотке переменное магнитное поле индуцирует (наводит) переменный ток.

Н апряжение снимаемое со вторичной обмотки может быть большее или меньшее напряжения подаваемого на первичную обмотку. Если напряжение во вторичной обмотке U₂ U₁ первичной обмотки, то такой трансформатор называют повышающим. Если наоборот — то понижающим.

магнитопровод
первичная обмотка
вторичная обмотка

Рис. 11.2 Конструкция трансформатора

4. Трёхфазные трансформаторы

На каждый стержень Ш-образного магнитопровода одевается 2 обмотки – первичная и вторичная в каждой из трех фаз трехфазного тока. Концы первичных обмоток и концы вторичных обмоток выводятся на корпус трансформатора.

Как первичные, так и вторичные обмотки трехфазного трансформатора могут соединяться в звезду или треугольник. Способ соединения обмоток указывается на щите трансформатора.

5. Автотрансформатор.

На стальном магнитопроводе помещают две обмотки. Конец первой обмотки электрически соединен со второй обмоткой. Следовательно, соединенные витки образуют общую обмотку высшего напряжения. Одна из обмоток (первая или вторая) является обмоткой низшего напряжения.

Рис. 11.4

6.1. Режимы работы трансформаторов

6.1. Режим холостого хода.

Режим холостого хода – такой режим работы, при котором к первичной обмотке подается номинальное напряжение(паспортные данные) вторичная обмотка разомкнута.

Рис. 11..5

В режиме холостого хода определяют опытным путем коэффициент трансформации и мощность потерь в магнитопроводе.

Отношение числа витков в первичной обмотке к числу витков вторичной обмотки называют коэффициентом трансформации трансформатора

где w – число витков обмотки трансформатора. Этот коэффициент определяют отношением напряжений при холостом ходе, пренебрегая падением напряжений в обмотках.

X- холостой ход.

Мощность потребляемая трансформатором из сети при холостом ходе(P_x) равна потерям в стали магнитопровода(P_м)

P_x=P_м

6.2. Режим короткого замыкания.

Режим короткого замыкания — такой режим при котором к первичной обмотке подается переменное напряжение, а зажимы вторичной замкнуты накоротко.

Эксплуатационное короткое замыкание является аварийным режимом работы. При этом токи во вторичной обмотке в 10-20 раз превышают номинальный ток и защита должна отключить трансформатор. Испытательное короткое замыкание проводят с целью определения некоторых параметров трансформатора. При этом напряжение в первичной обмотке плавно повышают от 0 до значения U_1k, при котором токи в обмотках равны номинальным.

Рис. 11.6

В режиме короткого замыкания определяют мощность электрических потерь в обмотках трансформатора, а также определяют напряжение короткого замыкания Uk.

где U_1k— напряжение первичной обмотки трансформатора в режиме короткого замыкания при котором токи в обмотках равны номинальным.

-номинальное напряжение в обмотке

Обычно не превышает 5-10%

Мощность потребляемая из сети в режиме короткого замыкания тратится на покрытие электрических потерь в обмотках

6 .3. Работа трансформатора под нагрузкой.

Работа трансформатора под нагрузкой является основным режимом трансформатора. Ее можно переставить в виде наложения двух предельных режимов – холостого хода и короткого замыкания.

Рис. 11.7

рабочем режиме определяют параметр : коэффициент нагрузки трансформатора

где — ток во вторичной(первичной) обмотки.

где — номинальный ток во вторичной(первичной) обмотки.

Коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора равен отношению отдаваемой мощности к потребляемой мощности.

— активная мощность, отдаваемая трансформатором;

— активная мощность, подводимая к трансформатору;

где суммарные потери в магнитопроводе.

где — мощность потери в магнитопроводе;

— электрические потери;

— добавочные потери.

=0,005

Контрольные вопросы.

1. Назначение трансформаторов.

2. Изменяет ли трансформатор частоту электрического тока?

3. Изменяет ли трансформатор напряжение электрического тока?

4. Из каких деталей состоит трансформатор?

5. Какую функцию в трансформаторе выполняет первичная обмотка?

6. Какую функцию в трансформаторе выполняет магнитопровод?

7. Какую функцию в трансформаторе выполняет вторичная обмотка?

8. Какие виды магнитопроводов вы знаете?

9. Объясните принцип работы трансформатора.

10. Какой трансформатор называют понижающим, а какой повышающим?

11. Из каких деталей состоит трехфазный трансформатор?

12. Объясните принцип работы трехфазного трансформатора.

13. Из каких деталей состоит автотрансформатор?

14. Объясните принцип работы автотрансформатора

15. Объяснить какой режим работы трансформатора называется режимом холостого хода.

16. Какие параметры трансформатора измеряют в опыте холостого хода?

17. Что называют коэффициентом трансформации?

18. Что имеют в виду под мощностью магнитных потерь? От чего она зависит и как может быть уменьшена?

19. Объяснить, какой режим работы трансформатора называется режимом короткого замыкания?

20. Какие параметры измеряют в режиме короткого замыкания?

21. В паспорте трансформатора обязательно указывают напряжение короткого замыкания. Что означает этот термин?

22. Что содержит понятие мощность электрических потерь? От чего она зависит?

23. Какой из режимов работы трансформатора является основным?

24. Что называют коэффициентом полезного действия трансформатора?

ЛЕКЦИЯ 12

ТЕМА: Асинхронные электродвигатели.

ПЛАН.

1. Конструкция асинхронного двигателя.

2. Принцип работы асинхронного двигателя

3. Пусковой ток асинхронного двигателя.

4. Изменение скорости вращения АД.

ЛИТЕРАТУРА: [1], стр. 199 – 220

1. Конструкция асинхронного электродвигателя(АД)

Рис. 12.1

Д состоит из 2 основных частей. Неподвижная часть – статор, представляет собой сердечник из стальных пластин изолированных лаком(для уменьшения вихревых токов). В сердечнике проточены специальные пазы в которых укладывается обмотка статора. Число обмоток может быть 3, 6, 9 и т.д. Каждая обмотка представляет собой полюс электромагнита. Внутри статора располагается подвижная часть асинхронного двигателя – ротор. Ротор бывает короткозамкнутым и фазным (отличие в обмотках). Короткозамкнутый ротор представляет собой набранный из стальных изолированных лаком пластин сердечник укрепленный на валу. В пазы сердечника уложена обмотка типа беличья клетка (проводники замкнутые с двух сторон кольцами).

В фазном роторе, в пазы уложены обмотки из проволоки аналогично обмотке статора и числом 3, 6, 9 и т.д. по числу обмоток статора.

2. Принцип работы асинхронного двигателя

На каждую из 3 обмоток статора подается одна из ЭДС трехфазного переменного тока. Трехфазный переменный ток создает в статоре вращающееся магнитное поле, которое индуцирует (наводит) в обмотке ротора ЭДС т.к. обмотка замкнута то в ней протекает ток, который в свою очередь вызывает появление вращающего момента, который заставляет ротор вращаться. Скорость вращения ротора (N2) всегда меньше скорости вращение магнитного поля статора (N1) поэтому двигатель и называют асинхронным. Если бы N1 и N2 были равны, то линии магнитного поля статора не пересекали бы проводники обмотки ротора и в нем бы не индуцировалась бы ЭДС, не было бы тока ротора и взаимодействия его с полем статора.

Отношение разности частоты вращения магнитного поля статора (n1) и скорости вращения ротора (n2) к частоте поля статора называется скольжением.

В нормальном режиме обычно S=3 — 5%. Это указывается в паспорте двигателя.

3. Пусковой ток асинхронного двигателя.

В начальный момент вращения двигателя тока ротор еще неподвижен, т.е. n2=0 скольжение будет равно S=1 или 100%. В момент пуска асинхронного двигателя до тех пор пока ротор не разогнался (из-за инерции) скорость магнитного поля статора значительно больше скорости ротора , т.е. силовые линии магнитного поля имеют значительную скорость по отношению к проводнику(обмотка ротора). Это вызывает в проводнике большую ЭДС (E=BVl) и следовательно большой ток, который называют пусковым. Пусковой ток в 5-8 раз превышает рабочий или номинальный ток.

В схемах, где это недопустимо вместо конструктивно простого короткозамкнутого ротора применяют фазный ротор. Каждая обмотка фазного ротора подключается к контактному кольцу на валу электродвигателя. Кольца изолированы друг от дуга и от вала. С помощью контактных щеток эти обмотки соединены с пусковым реостатом т.е. в момент пуска ток ротора будет протекать через саму обмотку и через большое сопротивление, подключенное через саму обмотку и через большое сопротивление, подключенное к этой обмотке. Это значительно уменьшит пусковой ток.

Рис. 12.2

По мере разгона ротора пусковой ток уменьшается и пусковой реостат отключают, т.к. иначе он будет уменьшать и рабочий ток в обмотке ротора, из-за чего ротор будет вращаться медленнее.

4. Изменение скорости вращения АД.

Пусковой реостат или аналогичный ему может быть использован и для регулирования скорости вращения АД. Частота вращение магнитного поля статора АД.

N1=60f/P

где f-частота сети

P-число полюсов обмоток статора на каждую пару полюсов приходится 3 сдвинутые на 120 градусов обмотки, т.е. если обмоток 6 — это две пары полюсов или P=2

А частота вращения ротора, т.е. скорость вращения двигателя

Рис. 12.3

астоту вращения двигателя можно изменить в кратное число раз(2,3,4) за счет переключения обмоток статора (если их 6 и более). Можно изменять частоту питающего тока, но это сложный и не экономичный способ, чаще применяют регулирование скорости вращения АД изменением подводимого напряжения в некоторых пределах. Еще один способ изменения скорости двигателя – переключение обмоток статора «звезда» – «треугольник».

Н аправление вращения АД с роторами обоих типов можно изменять переключая любые 2 фазы на обмотки статора – магнитное поле статор начнет вращаться в другую сторону.

Контрольные вопросы.

1. Из каких двух основных частей состоит асинхронный двигатель?

2. Конструкция и назначение статора.

3. Конструкция и назначение ротора.

4. Чем отличаются роторы с короткозамкнутой и фазной обмотками?

5. Объяснить принцип работы асинхронного двигателя.

6. Объяснить понятие пускового тока.

7. Способы уменьшения пускового тока.

8. Объяснить понятие «скольжения»

9. По какой формуле рассчитывается частота вращения ротора, то есть скорость вращения двигателя.

10. Каким образом можно изменить скорость вращения двигателя?

11. Каким образом можно изменить направление вращения двигателя?

ЛЕКЦИЯ 13

ТЕМА: Двигатели постоянного тока .

ПЛАН

1. Устройство двигателей постоянного тока (ДПТ)

2. Принцип действия электродвигателя постоянного тока 3. Принцип действия современных электродвигателей

4. Схемы включения ДПТ

5. Достоинства и недостатки ДПТ

ЛИТЕРАТУРА: [1], стр. 339 – 260

1. Устройство двигателей постоянного тока (ДПТ)

Двигатель состоит из якорной обмотки (ротора с якорной обмоткой), статора, щёточного узла. ДПТ являются обратимыми электрическими машинами, то есть в определенных условиях способны работать как генераторы.

Статор

На статоре ДПТ располагаются в зависимости от конструкции:

постоянные магниты

обмотки возбуждения — катушки, наводящие магнитный поток возбуждения

Рис. 13.1 Устройство двигателей постоянного тока

вигатели постоянного тока различаются по способу коммутации обмоток возбуждения. Вид подключения обмоток возбуждения существенно влияет на тяговые и электрические характеристики электро-двигателя. Существуют схемы независимого, параллельного, последовательного и смешанного включения обмоток возбуждения.

Ротор

Ротор любого ДПТ состоит из многих катушек, на одну из которых подаётся питание в зависимости от угла поворота ротора относительно статора. Применение большого числа (несколько десятков) катушек необходимо для обеспечения оптимального взаимодействия между магнитными полями ротора и статора (то есть создания максимального момента на роторе).

В ыводы всех катушек объединяются в коллекторный узел. Коллекторный узел обычно представляет собой кольцо из изолированных друг от друга пластин-контактов, расположенных по оси ротора. Существуют и другие конструкции коллекторного узла.

Щёточный (коллекторно-щёточный) узел

Графитовые щётки

Рис. 13.2 Графитовые щётки

ёточный узел необходим для подвода электроэнергии к катушкам на вращающемся роторе. Щётка — неподвижный контакт (обычно графитовый или медно-графитовый).

Щётки часто размыкают и замыкают пластины-контакты коллектора ротора, как следствие при работе ДПТ происходят переходные процессы в обмотках ротора. Эти процессы приводят к искрению на коллекторе, что значительно снижает ресурс ДПТ. Искрение уменьшают выбором взаимного положения полюсов ротора относительно статора(снижая ток коммутации), а также подключением внешних реактивных элементов (конденсаторов).

При больших токах в роторе ДПТ возникают мощные переходные процессы, в результате чего искрение может постоянно охватывать все пластины коллектора, независимо от положения щёток. Данное явление называется кольцевым искрением коллектора или «круговой огонь». Кольцевое искрение опасно тем, что одновременно выгорают все пластины коллектора и срок его службы значительно сокращается. Визуально кольцевое искрение проявляется в виде светящегося кольца около коллектора. Эффект кольцевого искрения коллектора не допустим, при проектировании приводов устанавливаются соответствующие ограничения на максимальные моменты (а следовательно и токи в роторе), развиваемые двигателем.

2. Принцип действия электродвигателя п остоянного тока

Рис. 13.3 Схема, поясняющая принцип действия двигателей постоянного тока

роходя по проводнику, ток формирует вокруг себя круговое магнитное поле по всей длине провода. Направление этого поля определяют по правилу буравчика (винта). При взаимодействии кругового поля проводника и однородного поля магнита, между полюсами магнитное поле с одной стороны ослабевает, а с другой усиливается. То есть среда становится упругой и результирующая сила выталкивает провод из поля магнита под углом 90 градусов в направлении, определяемом по правилу левой руки (правило правой руки используется для генераторов, а правило левой руки подходит только для двигателей). Эта сила называется «амперовой» и её величина определяется по закону Ампера F=BхIхL, где В – значение магнитной индукции поля; I – ток, циркулирующий в проводнике; L – длина провода.

Это явление использовали как основной принцип работы первых электродвигателей, этот же принцип используют и поныне. В двигателях постоянного тока малой мощности для создания постоянного магнитного поля применяются постоянные магниты. В электромоторах средней и большой мощности однородное магнитное поле создают с помощью обмотки возбуждения или индуктора.

Рассмотрим принцип создания механического движения с помощью электричества более подробно. На динамической иллюстрации показан простейший электромотор. В однородном магнитном поле вертикально располагаем проволочную рамку и пропускаем по ней ток. Что происходит? Рамка проворачивается и по инерции двигается какое-то время до достижения горизонтального положения. Это нейтральное положение – мёртвая точка — место, где воздействие поля на проводник с током равно нулю. Чтобы движение продолжилось, нужно добавить ещё хотя бы одну рамку и обеспечить переключение направление тока в рамке в нужный момент.

3. Принцип действия современных электродвигателей

Современный двигатель постоянного тока вместо одной рамки имеет якорь с множеством проводников, уложенных в пазы, а вместо постоянного подковообразного магнита имеет статор с обмоткой возбуждения с двумя и более полюсами. На рисунке показан двухполюсный электромотор в разрезе. Принцип его работы следующий. Если по проводам верхней части якоря пропустить ток движущийся «от нас» (отмечено крестиком), а в нижней части — «на нас» (отмечено точкой), то согласно правилу левой руки верхние проводники будут выталкиваться из магнитного поля статора влево, а проводники нижней половины якоря по тому же принципу будут выталкиваться вправо. Поскольку медный провод уложен в пазах якоря, то, вся сила воздействия будет передаваться и на него, и он будет проворачиваться. Дальше видно, что когда проводник с направлением тока «от нас» провернётся вниз и станет против южного полюса создаваемого статором, то он будет выдавливаться в левую сторону, и произойдёт торможение. Чтобы этого не случилось нужно поменять направление тока в проводе на противоположное, как только будет пересечена нейтральная линия. Это делается с помощью коллектора – специального переключателя, коммутирующего обмотку якоря с общей схемой электродвигателя.

Таким образом, обмотка якоря передаёт вращающий момент на вал электромотора, а тот в свою очередь приводит в движение рабочие механизмы любого оборудования.

Принцип действия электродвигателя основывается на инвертировании постоянного тока в якорной цепи, чтобы не было торможения, и вращение ротора поддерживалось в постоянном ритме. Если изменить направление тока в возбуждающей обмотке статора, то, согласно правилу левой руки, изменится направление вращения ротора. То же самое произойдёт, если мы поменяем местами щёточные контакты, подводящие питание от источника к якорной обмотке. А вот если поменять «+» «-» и там и там, то направление вращения вала не изменится. Поэтому, в принципе, для питания такого мотора можно использовать и переменный ток, т.к. ток в индукторе и якоре будет меняться одновременно. На практике такие устройства используются редко.

4. Схемы включения ДПТ

Что касается электрической схемы включения двигателя, то их несколько и они показаны на рисунке. При параллельном соединении обмоток, обмотка якоря делается из большого количества витков тонкой проволоки. При таком подключении коммутируемый коллектором ток будет значительно меньше из-за большого сопротивления и пластины не будут сильно искрить и выгорать. Если делать последовательное соединение обмоток индуктора и якоря, то обмотка индуктора делается из провода большего диаметра с меньшим количеством

в итков, т.к. весь якорный ток устремляется через статорную обмотку. При таких манипуляциях с пропорциональным изменением значений тока и количества витков, намагничивающая сила остаётся постоянной, а качественные характеристики устройства становятся лучше.

Рис. 13.4 Схемы включения ДПТ

5. Достоинства и недостатки ДПТ

Достоинства:

Простота устройства и управления
Практически линейные механическая и регулировочная характеристики двигателя

Недостатки:

Необходимость профилактического обслуживания коллекторно-щёточных узлов
Ограниченный срок службы из-за износа коллектора

Контрольные вопросы.

1. Из каких двух основных частей состоит двигатель постоянного тока?

2. Конструкция и назначение статора.

3. Конструкция и назначение ротора (якоря).

4. Конструкция и назначение коллекторно-щёточного узла.

5. Объяснить принцип работы двигателя постоянного тока.

6. Что произойдёт, если мы поменяем местами щёточные контакты, подводящие питание от источника к якорной обмотке?

7. Что произойдёт, если изменить направление тока в возбуждающей обмотке статора?

8. Какие вы знаете схемы включения ДПТ?

9. Что предпринимают, чтобы пластины коллектора не искрили и не выгорали?.

10. Каким образом можно изменить скорость вращения двигателя?

11. Каким образом можно изменить направление вращения двигателя?

ЛЕКЦИЯ 14

Раздел 6. Полупроводниковые приборы ТЕМА: Физические свойства полупроводников.

ПЛАН

1. Общие сведения о строении полупроводников.

2. Примесная проводимость полупроводников

2.1. Донорная проводимость полупроводников

2.2. Акцепторная проводимость полупроводников

ЛИТЕРАТУРА: [1], стр. 457 – 477

1. Общие сведения о строении полупроводников.

Полупроводники – материалы, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками и имеющие особенное внутреннее строение в виде кристаллической решетки.

У металлов носителями зарядов являются электроны, у полупроводников – электроны и дырки – вакантные (незанятые) места в кристаллической решетке. Число атомов (N) металла или полупроводника в 1см³ примерно 10²². Число свободных электронов (n) у металла , у полупроводников число собственных свободных электронов n_i и число дырок для германия для кремния ; т.е. у германия на (1 миллиард) атомов приходится 1 пара носителей заряда электрон-дырка.

В настоящее время для изготовления полупроводниковых приборов наиболее широко используется германий или кремний, имеющие валентность IV, т.е. внешняя оболочка атомов германия или кремния имеет 4 валентных электрона.

Рис. 14.1

П ространственная решетка германия или кремния состоит из атомов связанных друг с другом валентными электронами. Вокруг каждой пары атомов движутся по орбитам 2 валентных электрона. Такая связь называется ковалентной или парно-электронной. Такая связь является довольно устойчивой, при низких температурах полупроводники являются диэлектриками однако при повышении температуры (до комнатной) или при облучении (например светом) энергия электронов увеличивается и некоторые электроны могут разрывать ковалентную связь.

Рис. 14.2

бразование пары электрон-дырка называется генерацией пар носителей.

Оставшаяся после отрыва электрона дырка (вакантное место) имеет «+» заряд. Если на пути движения электронов попадается дырка, то электрон притягиваясь ее «+» зарядом занимает место этой дырки.

Процесс воссоединения пары электрон-дырка называется рекомбинацией носителей зарядов.

2. Примесная проводимость полупроводников

Так как собственная проводимость полупроводников очень мала, то для увеличения проводимости к германию добавляют примеси 5-валентные (мышьяк, сурьма, фосфор) или 3-валентные(бор, индий и галлий ).

2.1. Донорная проводимость полупроводников

Четыре электрона 5-в фосфора участвуют в создании ковалентных связей кристаллической решетки А V электрон, оказывается свободным. Пятивалентные примеси увеличивают проводимость называются донорами, а проводимость – донорной или n-типа.

Рис. 14.3

2.2. Акцепторная проводимость полупроводников

Т ри электрона 3-х валентной примеси индия участвует в создании 3-ковалентных связей кристаллической решетки, а на месте 4 связей оказывается вакантное место – дырка. 3-х валентные примеси увеличивают дырочную проводимость называют акцепторами, а проводимость – акцепторной или p-типа.

Рис. 14.4

Контрольные вопросы.

1. Что называют полупроводниками?

2. Какие материалы используют чаще всего при изготовлении полупроводниковых приборов?

3. Какое внутреннее строение германия или кремния?

4. Какие носители заряда существуют в полупроводниках?

5. Что называется генерацией пара носителей заряда?

6. Что называется рекомбинацией пара носителей заряда?

7. Что называется примесной проводимостью?

8. Какие виды примесной проводимости вы знаете?

9. Что называют донорами?

10. Что называют акцепторами?

ЛЕКЦИЯ 15

ТЕМА: Электронно-дырочный переход. Полупроводниковый диод.

ПЛАН

1. Электронно – дырочный переход.

2. Обратное включение р-п-перехода.

3. Прямое включение р-п-перехода.

4. Полупроводниковые диоды разных типов и их условные обозначения

5. Конструкция выпрямительного полупроводникового диода.

6. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода.

7. Система обозначений полупроводниковых приборов.

ЛИТЕРАТУРА: [1], стр. 477 – 489

1. Электронно – дырочный переход.

П редставляет собой контактное соединение полупроводников с различными типами проводимости.

Рис. 15.1

ак как в полупроводнике n-типа большое количество электронов, они диффундируют в область p, а из области p в область n диффундируют дырки. В результате в пограничном слое полупроводника n возникает объемный «+» заряд. А полупроводнике p-объемный «-» заряд. Между этими слоями возникает разность потенциалов, которая называется потенциальным барьером. Этот потенциальный барьер препятствует дальнейшей диффузии электронов в область p, а дырок в область n. В результате на границе образуется тонкий слой, обедненный (бедный) носителями, который называют запирающим.

С овокупность потенциального барьера и запирающего слоя называют электронно-дырочным переходом или p-n переход.

2. Обратное включение р-п-перехода.

Если к исследуемому образцу подключить напряжение такой полярности(n «+», p «-») то электроны под действием электрического поля скапливаются в области положительного электрода, а дырки — в области отрицательного электрода.

Рис. 15.2

апирающий слой увеличивается, внешнее электрическое поле, складываясь с полем объемных зарядов на границе полупроводников увеличивают величину потенциального барьера. Через этот образец будет протекать очень незначительный ток, вызванный движением не основных носителей заряда (собственные электроны и дырки)

Движение не основных носителей зарядов под действием приложенного обратного напряжения в область, где эти заряды являются основными, называется экстракцией носителей зарядов (участок 2 ВАХ).

3 . Прямое включение р-п-перехода.

Рис. 15.3

од действием напряжения полярности n «-», p «+», толщина запирающего слоя уменьшается. Внешнее электрическое поле, накладываясь на электрическое поле объемного заряда, уменьшает величину потенциального барьера. Электроны и дырки, ускоряемые внешним электрическим полем, преодолевают потенциальный барьер, т.е. через полупроводник протекает электрический ток, вызванный движением основных носителей заряда (участок 1 ВАХ).

Введение носителей заряда через пониженный по действием прямого напряжения потенциальный барьер в область, где эти носители являются не основными, называется инжекцией.

Напряжение к n «-», к p «+», называется прямым включением, а напряжение n «+», p «-», обратным включением.

4. Полупроводниковые диоды разных типов и их условные обозначения

Диоды представляют собой полупроводниковый прибор, имеющий два вывода и один р-п-переход. Работа полупроводникового диода основана на свойствах р-п-перехода. На рисунке показано условное обозначение на электрических схемах диодов различных типов:

в ыпрямительных;
стабилитронов;
варикапов;
фотодиодов;
светодиодов;
туннельных диодов.

Рис. 15.4

Выпрямительные диоды – основной тип диодов — используются для преобразования переменного тока в постоянный. Выпрямительные диоды работают на свойстве р-п-перехода пропускать ток в одном направлении. Вольтамперная характеристика (ВАХ) диода имеет тот же вид, что и ВАХ р-п-перехода. Выпрямительные диоды работают на участке (1) ВАХ .

Стабилитроны – их работа происходит на участке (3) ВАХ. Принцип работы заключается в том, что при изменении обратного тока в некоторых пределах на диоде сохраняется неизменным обратное напряжение, называемое напряжением стабилизации.

Варикапы – электрически регулируемые емкости – используют барьерную емкость р-п-перехода. Работа варикапов происходит на участке (2) ВАХ. Принцип работы заключается в том, что под действием приложенного к р-п-переходу обратного напряжения, изменяется толщина запирающего слоя р-п-перехода, а, следовательно, и барьерная емкость диода.

5. Конструкция выпрямительного полупроводникового диода.

Конструкция выпрямительного полупроводникового диода.

Как и все полупроводниковые приборы, диоды могут быть германиевые и кремниевые. Рассмотрим конструкцию диода на примере германиевого диода.

Рис. 15.5

Как в точечном, так и в плоскостном диоде, германий 5 припоем 4 укреплен на кристаллодержателе 6, к которому приварен вывод катода (нижний) 7. Вывод анода 3 также припоем 4 укрепляется в области с дырочной проводимостью и выводится наружу в верхней части диода. Металлический корпус 2 сварен с кристаллодержателем 6 и стеклянным изолятором 1.

Кремниевые диоды отличаются от германиевых не только материалом полупроводника, но и некоторыми преимуществами, а именно: более высокой предельной температурой, мног меньшим обратным током, более высоким пробивным напряжением. Однако сопротивление кремниевого вентиля в прямом направлении значительно больше, чем германиевого.

В технике кроме германиевых и кремниевых диодов применяют в качестве выпрямителей селеновые вентили, ртутные вентили, меднозакисные вентили.

6. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводникового диода.

В АХ это зависимость тока через полупроводник от величины и знака приложенному напряжению.

1. прямое включение;

2. обратное включение;

3. при значительном увеличении обратного изменения возникает электрический ( или обратимый) пробой. В области электрического пробоя работают некоторые электрические приборы (стабилитроны, тунельные диоды).

Рис. 15.6

. Тепловой пробой или необратимый, разрушающий структуру вещества в месте p-n перехода.

7. Система обозначений полупроводниковых приборов.

Первый элемент обозначения – буква или цифра -определяет исходный материал

Г или 1 – германий, К или 2 – кремний, A или 3 – арсенид гелия.

Второй элемент определяет класс приборов.

Т –транзистор биполярный, Д –диоды выпрямительные, П – транзистор полевой, Ц – выпрямительные столбы и блоки, А- диод СВЧ, В — варикапы, С — стабилитроны, Н -тиристор диодный, У – тиристор триодный, Ф – фотодиоды.

Третий элемент – цифра – номер разработки. Эта цифра указывает мощность и частоту прибора:

	Частота до 9 МГЦ	Частота до 30 МГЦ	Частота свыше 30 МГЦ
Мощность до 0,3 Вт.	101 — 199	201 — 299	301 — 399
Мощность до 1,5 Вт.	401 — 499	501 — 599	601 — 699
Мощность свыше 1,5 Вт.	701 — 799	801 — 899	901 — 999

Четвертый элемент – буква – разновидность полупроводникового прибора данного типа.

Контрольные вопросы.

1. Что собой представляет р-п-переход?

2. Что называется инжекцией носителей заряда?

3. Что называется экстракцией носителей заряда?

4. Какое включение р-п-перехода считается прямым?

5. Какое включение р-п-перехода считается обратным?

6. Как устроен полупроводниковый диод?

7. Какие преимущества имеют кремниевые диоды?

8. Что называется вольт – амперной характеристикой?

9. Привести примеры условных обозначений диодов: выпрямительных; стабилитронов; варикапов; фотодиодов; светодиодов; тоннельных диодов.

10. Назначение и направление включения выпрямительных диодов.

11. Назначение и направление включения стабилитронов.

12. Назначение и направление включения варикапов.

13. Объяснить систему обозначений полупроводниковых приборов.

14. Рассмотреть пример обозначения полупроводникового прибора.

ЛЕКЦИЯ 16

ТЕМА: Биполярные транзисторы.

ПЛАН

1. Определение биполярного транзистора

2. Конструкция транзистора

3. Принцип работы биполярного транзистора

4. Параметры транзисторов

5. Схемы включения транзисторов 5.1. Схема с общим эмиттером

5.2. Схема с общей базой.

5.3. Схема с общим коллектором.

ЛИТЕРАТУРА: [1], стр. 489 – 499

1. Определение биполярного транзистора

Биполярным транзистором называют полупроводниковый
электропреобразовательный прибор, состоящий из трех областей с
чередующимися типами электропроводности и имеющий два р-п-
перехода. В биполярных транзисторах используются заряды носителей обеих полярностей (электроны и дырки), поэтому транзисторы называют биполярными.
Среднюю область транзистора называют базой. База управляет потоком движущихся зарядов. Одну крайнюю область транзистора называют эмиттером. Эмиттер — является источником носителей заряда. Другую крайнюю область транзистора называют коллектором. Коллектор — является приемником движущихся зарядов. Коллектору заряды отдают свою кинетическую энергию. Поэтому еще одно назначение коллектора – рассеивание тепла при работе транзистора. Соответственно и р-п-переходы называются: переход эмиттер- база эмиттерным; переход база-коллектор — коллекторным.

Транзисторы бывают двух типов: р-п-р и п-р-п. На схеме обозначаются следующим образом:

Рис. 16.1 Условное обозначение биполярного транзистора и обозначение выводов

Стрелка показывает направление тока от «+» к «-» т.е. от р к п .

Транзисторы могут работать в трех основных режимах:

— активный или усилительный режим напряжение на эмиттерном переходе — прямое, а на коллекторном- обратное;

режим отсечки или запирания — обратное напряжение подается на оба
перехода;
режим насыщения — оба перехода включены на прямое напряжение.

Есть еще инверсный режим, т. е. на коллекторный переход подается прямое напряжение а на эмиттерный- обратное. Этот режим также является усилительным, с той разницей, что коллектор и эмиттер меняются местами. По ряду причин о которых будет сказано позже этот режим не используется.

Усилительный режим является основным режимом работы транзистора Режимы насыщения и запирания используются только при работе транзистора в ключевых схемах ( от слова ключ т. е. включено-выключено).

2. Конструкция транзистора

В настоящее время в основном используются плоскостные биполярные транзисторы. Основным материалом для изготовления транзистора является кристалл германия или кремния.

Рассмотрим устройство плоскостного германиевого транзистора р-п-р -типа

Рис. 16.2 Устройство плоскостного германиевого транзистора

Базой является пластина 3 из кристаллического германия с электронной проводимостью (п-типа). С двух сторон в пластину впаяны индиевые электроды, служащие эмиттером 6 и коллектором 8. При вплавлении индия между каждым из этих электродов и германиевой пластиной — базой образуются области с дырочной проводимостью и создается эмитгерный 7 и коллекторный 2 р-п-переходы. Коллектор 8 крепится на кристаллодержателе 1, от которого наружу выходит вывод коллектора 9. Выводы от эмиттера 5 и базы 4 изолированы от корпуса стеклянными изоляторами. Транзистор помещается в металлический корпус.

Коллектор служит приемником носителей заряда. Именно в коллектору носители заряда отдают большую часть своей кинетической энергии, что приводит к нагреванию коллектора. Поэтому коллектор делают большим объемом и коллекторный переход большей площадью, чем эмиттер и эмитгерный переход. Это позволяет рассеивать большую часть энергии (в виде тепла). Роль теплоотводника выполняет кристаллодержатель 1. У мощных транзисторов коллектор может крепиться к специальному радиатору. Транзистор не включают в инверсном режиме именно потому, что в эмиттере не предусмотрен отвод тепла. В таком режиме эмиттер быстро расплавится.

3. Принцип работы биполярного транзистора

Так как основным режимом работы транзистора является усилительный, го рассмотрим подробнее работу в этом режиме транзистора типа п-р-п (рис. 16.3,а).

Рис. 16.3 Движение носителей зарядов в трапзисторе а) п-р-п; б) р-п-р типа.

Для усиления сигнала эмитгерный переход включен в прямом направлении, а коллекторный — в обратном, причем обратное напряжение значительно больше прямого. Прямое напряжение на эмиттерном переходе уменьшает сопротивление этого перехода. Через эмиттерный переход протекает прямой ток — ток эмиттера, вызванный перемещением электронов из эмиттера в базу. Большая часть электронов, разогнавшись под действием прямого напряжения эмиттерного перехода пролетают тонкий слой базы и достигают коллекторного перехода. И лишь незначительная часть электронов рекомбинирует с дырками базы, создавая базовый ток I_б. Подойдя к коллекторному переходу электроны попадают под влияние сильного электрического поля коллектора. Это поле является для них ускоряющим, поэтому они втягиваются из базы в коллектор и участвуют в создании тока коллектора I_к.

Ток I_б является паразитным для транзистора. Его стремятся сделать как можно меньше. Для этого область базы выполняют как можно тоньше и из полупроводника, обедненного носителями заряда, тогда меньшее число электронов за время пролета через базу рекомбинирует с дырками. Через транзистор протекают токи: эмиттерный I_э, базовый I_б, коллекторный I_к, причем

I_э = I_к + I_б.

Смысл этой формулы можно объяснить следующей фразой: электроны, вышедшие из эмиттерной области (I_э) частично рекомбинируют в базе (I_б), остальные достигают коллектора (I_к).

Как уже было сказано, идеальным будет транзистор, у которого I_б → 0. У реального транзистора ток базы I_б в десятки — сотни раз меньше тока коллектора I_к, поэтому с некоторым приближением можем считать: т. к. I_б « I_к, то I_э ≈ I_к Таким образом, можем сказать, что величина коллекторного тока I_к напрямую зависит от тока эмиттера I_э. А ток эмиттера зависит от величины напряжения приложенного к эмиттерному переходу. Т. е. изменяя напряжение на базе мы можем управлять током эмиттера I_э, и, следовательно, током коллектора I_к Учитывая, что напряжение эмиттерного перехода невелико, то даже небольшое его изменение приведет к значительному изменению тока коллектора. Сигнал, который необходимо усилить включают в цепь базы. Он складывается с постоянным напряжением, подаваемым на базу (называется напряжением начального смещения), увеличивая или меньшая его. Соответственно увеличивается или уменьшается коллекторный ток I_к Таким образом, изменяя входное напряжение (на базе) с помощью источника слабого сигнала входного напряжения (десятые доли вольта) перераспределяем энергию вспомогательного источника (десятки вольт) в соответствии с законом изменения входного сигнала. В этом и заключается принцип усиления: слабый входной сигнал управляет мощным выходным.

Достоинства транзисторов.

В отличие от электронной лампы у транзистора отсутствует цепь накала и, следовательно, упрощается схема и нет потребления мощности для разогрева катода. По этой же причине транзистор всегда готов к работе, ему не нужно время для разогрева. Транзистор имеет большую механическую прочность и долго-вечность, малые габариты и массу, низкое напряжение питания и высокий КПД.

Недостатки транзисторов.

Зависимость режима их работы от температуры окружающей среды, небольшая выходная мощность, чувствительность к перегрузкам, разброс параметров, вследствие чего отдельные транзисторы одного типа значительно отличаются между собой по своим параметрам, значительное различие между входными и выходными сопротивлениями.

4. Параметры транзисторов

Напомним, что I_э = I_к + I_б., тогда приращение

ΔI_э = ΔI_к + ΔI_б.

1 . Коэффициент передачи тока эмиттера

α = ΔI_к / ΔI_э, при U_к-э = const.

Величина α лежит в пределах α = 0,900 . . . 0,998.

2. Коэффициент передачи тока базы

β = ΔI_к / ΔI_бэ, при U_к-э = const.

Найдем соотношение между α и β.

ΔI_к = α ΔI_э

ΔI_к = α ( ΔI_к + ΔI_б)

ΔI_к = α ΔI_к + α ΔI_б

ΔI_к — α ΔI_к = α ΔI_б

ΔI_к ( 1- α ) = α ΔI_б

ΔI_к = ( α / ( 1- α )) ΔI_б, где α / ( 1- α ) =β

ΔI_к = β ΔI_б

β = α / ( 1- α ) или α = β / ( 1 + β )

Величина β лежит в пределах β = 10. . .200.

Небольшое изменение α приводит к большим изменениям β.

Например: α = 0,95, тогда β = α / (1 — α) = 0,95 / ( 1-0,95 ) = 0,95 / 0,05 = 19.

Пусть α увеличится и станет α = 0,99 ,тогда

β = α / (1 — α) = 0,99 / ( 1-0,99 ) = 0,99 / 0,01 = 99.

Таким образом, увеличение α на 0,04 приводит к увеличению β более,чем в 5 раз.

3. Входные и выходные сопротивления:

R_вх = U_вх / I_вх R_вых = U_вых / I_вых.

Значения входного и выходного сопротивления различны для разных схем включения транзистора.

4. Коэффициенты усиления:

а) по току K_I = I_вых / I_вх.;

б) по напряжению К_U = U_вых / U_вх.;

в) по мощности К_Р = Р_вых / Р_вх;

Р_вых = U_вых · I_вых = U_вых · I_вых

Р _вх U_вх · I_вх U_вх I_вх

К_Р = К_U · K_I

5. Схемы включения транзисторов

Источник входного напряжения подключают к двум точкам усилительного каскада. Для того, чтобы получить усиленное напряжение, необходимо подключить нагрузку также к двум точкам усилительного каскада. Но у транзистора только три вывода, поэтому один из выводов будет общим для входной и выходной цепи. В зависимости от того, какой вывод будет общим для входа и выхода различают три схемы включения транзистора: с общим эмиттером (ОЭ), общей базой (ОБ) и общим коллектором (ОК). Под входом и выходом следует понимать точки, между которыми действуют входные и выходные переменные напряжения. Рассмотрим эти схемы включения.

5 .1. Схема с общим эмиттером

Схема с общим эмиттером представлена на рисунке.

Это наиболее распространенная схема включения транзистора, т.к. она дает наибольшее усиление по мощности. Характерной особенностью этой схемы является сдвиг фаз между входным и выходным напряжениями, т.е. усилительный каскад с общим эмиттером переворачивает фазу на 180°. На рис. в кружочках указаны знаки постоянных потенциалов. Коллекторный ток создает на резисторе нагрузки r_h падение напряжения, противоположной полярности по отношению к напряжению база — эмиттер. Пусть на вход (на базу) транзистора подается положительная полуволна входного сигнала — это увеличит положительное напряжение на базе. Это вызовет увеличение эмиттерного тока I_э и, следовательно, коллекторного I_к тока, что приведет к увеличению отрицательного напряжения на нагрузке r_h т. е. в дополнение к отрицательному постоянному напряжению на r_h появится еще и переменная составляющая той же полярности.

Параметры схемы с общим эмиттером.

Коэффициент усиления по току

K_I = I_{m вых} / I_{m вх} = I_{m к} / I_{m б} = β – десятки, сотни.

Реальный K_I r_h, ток коллектора I_к уменьшися.

2. Коэффициент усиления по напряжению

К_U = U _{m вых} / U_{m вх} = U _{m к-э} / U_{m б-э} – десятки, сотни.

3. Коэффициент усиления по мощности

К_Р = Р_вых / Р_вх = К_U · K_I – от сотен до десятков тысяч.

4. Входное сопротивление

R_вх = U_{m вх} / I_{m вх} = U _{m б-э} / I_{m б}. – сотни Ом, единицы кОм.

5. Выходное сопротивление

R_вых = U_вых / I_вых = U _{m к-э} / I _{m к} – единицы, десятки кОм.

Достоинства схемы с общим эмиттером:

— удобство питания от одного источника , т.к. на коллектор и базу
подаются напряжения одного знака;

— наибольший коэффициент усиления по мощности.

Недостатки схемы с общим эмиттером:

малое входное сопротивление;
зависимость работы схемы от температуры (собственные шумы транзистора);

— с увеличением частоты снижается коэффициент усиления.

5.2. Схема с общей базой

Э та схема дает значительно меньшее усиление по мощности и имеет еще меньшее входное сопротивление, чем схема ОЭ и все же в некоторых случаях ей отдают предпочтение, т. к. по своим частотным и температурным свойствам она значительно лучше схемы ОЭ. Схема с общей базой представлена на рисунке:

Схема не переворачивает фазу входного напряжения. В этом можно убедиться проанализировав работу схемы. Т. к. на рисунке представлен транзистор типа п-р-п, то отрицательная полуволна входного сигнала увеличивает прямое напряжение эмиттерного перехода U_б-э, приводит к увеличению тока эмиттера I_э, а, значит, и тока коллектора I_к . Увеличение коллекторного тока приводит к увеличению падения напряжения на нагрузке r_h, т.к. в дополнение к постоянному отрицательному напряжению добавляется переменная отрицательная составляющая. Т. о. отрицательной полуволне на входе соответствует отрицательная полуволна на выходе.

Параметры схемы с общей базой.

Коэффициент усиления по току

K_I = I_{m вых} / I_{m вх} = I_{m к} / I_{m э} = α – немного меньше единицы.

Реальный K_I r_h.

2. Коэффициент усиления по напряжению

К_U = U _{m вых} / U_{m вх} = U _{m к-б} / U_{m б-э} – десятки, сотни.

3. Коэффициент усиления по мощности

К_Р = Р_вых / Р_вх = К_U · K_I – десятки, сотни.

4. Входное сопротивление

R_вх = U_{m вх} / I_{m вх} = U _{m б-э} / I_{m э} – единицы, десятки Ом.

5. Выходное сопротивление

R_вых = U_вых / I_вых = U _{m б-к} / I _{m к} – сотни кОм.

Достоинства схемы с общей базой:

меньшие частотные и температурные искажения;
отсутствие фазового сдвига между входным и выходным сигналами.

Недостатки схемы с общей базой:

меньшее, чем для схемы с ОЭ входное сопротивление и большее выходное;

меньший по сравнению со схемой с ОЭ коэффициент усиления мощности;
в схеме нет усиления по току, только усиление по напряжению;

необходимость для питания транзистора от источников постоянного тока.

5.3. Схема с общим коллектором

Схема с общим коллектором представлена на рисунке:

В этой схеме коллектор действительно является общей точкой входа и выхода, поскольку источники питания Е1 и Е2 всегда шунтированы конденсаторами большой емкости и для переменного тока могут считаться короткозамкнутыми. Особенностью этой схемы является то, что выходное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. имеется очень сильная отрицательная обратная связь. По этой причине усилительный каскад с общим коллектором называют эмиттерным повторителем. Нетрудно видеть, что входное напряжение равно сумме переменного напряжения база — эмиттер и выходного напряжения.

U _вх = U _б-э + U _вых.

Параметры схемы с общим коллектором.

Коэффициент усиления по току

K_I = I_{m вых} / I_{m вх} = I_{m э} / I_{m б}= (I_{m к} + I_{m б} ) / I_{m б}=I_{m к} / I_{m б} +1= β + 1 — десятки, сотни.

Из формулы видно, что K_I — почти равен коэффициенту усиления для схемы ОЭ-β.

2. Коэффициент усиления по напряжению

К_U = U _{m вых} / U_{m вх} = U _{m вых} / (U_{m б-э} + U _{m вых} ) – немного меньше единицы.

3. Коэффициент усиления по мощности

К_Р = Р_вых / Р_вх = К_U · K_I – десятки, сотни.

4. Входное сопротивление

R_вх = U_{m вх} / I_{m вх} = ( U _{m б-э} + U _{m вых} ) / I_{m б}. – десятки кОм.

5. Выходное сопротивление

R_вых = U_вых / I_вых = U _{m вых} / I _{m э} – сотни Ом, единицы кОм.

Достоинства схемы с общим коллектором:

основным достоинством схемы ОК является высокое входное и низкое выходное сопротивления; поэтому каскад ОК используют для согласования высокоомных каскадов усилителей мощности с низкоомной нагрузкой;

малые частотные и температурные искажения благодаря отрицательной обратной связи.

Недостатки схемы с общим коллектором:

меньший по сравнению со схемой с общим эмиттером коэффициент
усиления по мощности;
в схеме нет усиления по напряжению, только усиление по току.

Контрольные вопросы.

1. Что называют биполярным транзистором?

2. Почему биполярный транзистор имеет такое название?

3. Как называют три области транзистора?

4. Назначение эмиттера.

5. Назначение базы.

6. Назначение коллектора.

7. Как устроен биполярный транзистор?

8. Объяснить принцип работы биполярного транзистора.

9. Достоинства биполярных транзисторов.

10. Недостатки биполярных транзисторов.

11. Объяснить особенности включения биполярного транзистора по схеме с общим эмиттером.

12. Объяснить особенности включения биполярного транзистора по схеме с общей базой.

13. Объяснить особенности включения биполярного транзистора по схеме с общим коллектором.

ЛЕКЦИЯ 17

ТЕМА: Полевые транзисторы

ПЛАН

1. Определения полевых транзисторов.

2. Полевой транзистор управляющим р-п-переходом.

3. Принцип работы полевого транзистора с управляющим р-п-переходом.

4. Схемы включения полевого транзистора.

5. Полевой транзистор с изолированным затвором.

6. Принцип работы полевого транзистора с изолированным затвором.

7. Тиристор

ЛИТЕРАТУРА: [1], стр. 499 – 503

1. Определения полевых транзисторов.

Полевым транзистором называют электропребразовательный прибор, в котором ток канала управляется электрическим полем, возникающим под действием напряжения между затвором и истоком и который предназначен для усиления мощности электромагнитных колебаний.

Электрод, из которого в канал входят основные носители заряда называют истоком.

Электорд, через который основные носители уходят из канала называют стоком.

Каналом называют область кристалла полупроводника , расположенную между истоком и стоком, через которую протекают основные носители заряда.

Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором.

Поскольку в полевых транзисторах ток определяется движением носителей только одного знака, ранее их называли униполярными транзисторами.

В настоящее время применяют три основных вида полевых транзисторов: с управляющим р-п-переходом; с изолированным затвором (со встроенным каналом; с индуцированным каналом).

2. Полевой транзистор управляющим р-п-переходом.

Рассмотрим, например, полевой транзистор с п-каналом, у которого, соответственно, носителями заряда являются электроны. В кристалле полупроводника п— типа впаивается капелька полупроводника р— типа. К концам пластины кристалла припаиваются выводы – исток (И), сток (С). К полупроводнику р-типа припаивается вывод — затвор (З).

Рис. 17.1 Устройство полевого транзистора с управляющим р-п-переходом.

3. Принцип работы полевого транзистора с управляющим р-п-переходом.

К истоку и стоку подключается источник питания таким образом, чтобы к истоку был подключен полюс источника того же знака, что и тип проводимости канала. Т. е. Для рассматриваемого типа транзистора подключение: И – «-»; С — «+». На затвор подается напряжение обратной полярности, т. е. Поскольку в данном случае затвор – это полупроводник р – типа, то подаем напряжение З – «-». На границе затвора и основного кристалла возникает запирающий слой р-п-перехода, который увеличивается или уменьшается в зависимости от величины приложенного к затвору напряжения. При этом изменяется площадь поперечного сечения канала. Чем меньше площадь поперечного сечения канала, тем большее сопротивление оказывает канал прохождению электрического тока. Входной сигнал подается на затвор, выходной сигнал снимают со стока.

4. Схемы включения полевого транзистора.

Различают три схемы включения полевого транзистора с управляющим р-п-переходом :

с общим истоком ОИ (аналог схемы включения биполярного транзистора ОЭ);
с общим стоком ОС (аналог схемы включения биполярного транзистора ОК);
с общим затвором ОЗ (аналог схемы включения биполярного транзистора ОБ).

Рис. 17.2

В настоящее время более широкое применение находят МДП (МОП) транзисторы.

МДП – металл, диэлектрик, полупроводник.

МОП — металл, оксид (кремния), полупроводник.

5. Полевой транзистор с изолированным затвором.

Рассмотрим на примере полевого транзистора со встроенным п-каналом. Области истока и стока создаются высоколегированными примесями для того, чтобы не было бесполезной потери мощности на сопротивление в этих областях. Затвор отделен от кристалла слоем диэлектрика. Между истоком и стоком подается постоянное напряжение (И – «-»; С — «+»), при этом через канал протекает постоянный электрический ток.

6. Принцип работы полевого транзистора с изолированным затвором.

Если на затвор подавать положительное напряжение (режим обогащения), то электроны из кристалла втягиваются в область канала, тем самым увеличивая проводимость канала. Чем больше напряжение на затворе, тем больше проводимость канала, тем больше ток между истоком и стоком.

Если на затвор подавать отрицательное напряжение (режим обеднения), то электроны выталкиваются из канала в кристалл полупроводника. При этом проводимость канала уменьшается. Чем больше напряжение на затворе, тем меньше проводимость канала, тем меньше ток между истоком и стоком.

Еще одной разновидностью полевого транзистора является полевой транзистор с изолированным затвором с индуцированным каналом. В этом транзисторе канал не создается специально. Работает такой транзистор только в режиме обогащения (т. е. на З — «+» ). При этом из кристалла к затвору притягиваются электроны и тем самым создают проводящий канал.

7. Тиристор.

Тиристором называется полупроводниковый прибор с тремя и более р-п-переходами , вольт – амперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением и который используют в качестве электрически управляемого переключателя.

Тиристор, имеющий только два вывода от крайних областей называется динистором. Включают динистор таким образом, что переходы П1 и П3 находятся под прямым напряжением, а переход П2 – под обратным напряжением.

Т. к. сопротивление перехода П2 велико по сравнению с сопротивлениями переходов П1 и П3, то практически все напряжение будет приложено к переходу П2. При повышении напряжения до величины U_ср (напряжение срабатывания), происходит электрический пробой перехода П2, при этом напряжение на П2 падает, а через тиристор протекает значительный ток, что свидетельствует о том, что тиристор включен.

Рис. 17.4 а) устройство динистора; б) вольт – амперные характеристики тиристоров.

Тиристор, имеющий дополнительный третий электрод от одной из внутренних областей называется тринистором. Если вывод сделан от области п, то это тринистор с управлением по катоду. Если вывод сделан от области р, то это тринистор с управлением по аноду. При подаче на управляющий электрод напряжения U_у (к области п U_у – «-», к области р U_у – «+»), происходит понижение потенциального барьера перехода П2, и тиристор срабатывает при меньшем приложенном к нему напряжении (U_ср1 _ср ).

Рис. 17.5

спользуется тиристор в устройствах автоматизации. Если подавать на тиристор напряжение U_ср1 _ср , то в отсутствие управляющего сигнала, тиристор будет закрыт, т. е. ток в цепи будет отсутствовать. При подаче управляющего сигнала U_у1 тиристор открывается, в цепи будет протекать значительный ток, т. е. произойдет включение цепи.

Контрольные вопросы.

Что называют полевым транзистором?
Почему полевой транзистор имеет такое название?
Как называют три области полевого транзистора?
Назначение истока, затвора, стока.
Как устроен полевой транзистор с управляющим р-п-переходом?
Принцип работы полевого транзистора с управляющим р-п-переходом.
Какие схемы включения полевых транзисторов вы знаете?
Как устроен полевой транзистор с изолированным затвором?
Принцип работы полевого транзистора с изолированным затвором.
Объяснить понятия: режим обогащения, режим обеднения
Объяснить принцип работы полевого транзистора с изолированным затвором с индуцированным каналом.
Какой режим невозможный при работы полевого транзистора с изолированным затвором с индуцированным каналом?

ЛЕКЦИЯ 18

ТЕМА: Полупроводниковые выпрямители.

ПЛАН

1. Структурная схема электронного выпрямителя.

2. Однополупериодный выпрямитель.

3. Двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки.

4. Двухполупериодный мостовой выпрямитель.

5. Трехфазный выпрямитель.

ЛИТЕРАТУРА: [1], стр. 525 – 534

Структурная схема выпрямителя.

Рис. 18.1

СТ – силовой трансформатор – служит для повышения или понижения напряжения сети.
ВГ – вентильная группа – один или несколько выпрямительных диодов (вентилей), обладающих односторонней проводимостью и выполняющих основную функцию выпрямителя – преобразование переменного тока в пульсирующий.
СФ – сглаживающий фильтр – снижает пульсацию выпрямленного тока до требуемого уровня.
С – стабилизатор – поддерживает неизменным напряжение на нагрузке.

1. Однополупериодный выпрямитель.

U_2m – амлитудное значение напряжения во вторичной обмотке трансформатора.

U₂ — действующее значение напряжения во вторичной обмотке трансформатора.

i₂ – ток во вторичной обмотке трансформатора.

U_н — действующее значение напряжения на нагрузке.

U_обр. – действующее значение обратного напряжения на диоде.

Напряжение во вторичной обмотке трансформатора изменяется по синусоидальному закону, но наличие диода в цепи вторичной обмотки приводит к тому, что ток в контуре (i₂) протекает только в тот полупериод синусоидального напряжения, который соответствует прямому включению диода. В полупериоды протекания тока в контуре, на нагрузочном резисторе создается падение напряжения (U_н) – такое напряжение называется пульсирующим.

Пульсирующее напряжение на нагрузке – это напряжение одного знака (нет «+» и «-»). Оно состоит из переменной и постоянной составляющей. Постоянная составляющая выпрямленного напряжения:

U₀ = 0,318 U_2m = 0,45 U₂ .

Частота пульсаций для однополупериодного выпрямителя:

f_п = f_c .

Коэффициент пульсаций – отношение величины пульсирующей составляющей выпрямленного напряжения к постоянной составляющей:

= 1, 57 (для данной схемы)

В полупериод, соответствующий обратному включению диода, ток в контуре не протекает и все напряжение вторичной обмотки трансформатора приложено к диоду (обратное напряжение — U_обр). Наибольшее обратное напряжение соответствует амплитудному значению.

U_обр = U_2m = 3,14 U₀ .

3. Двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки.

Рис. 18.3

Вторичная обмотка трансформатора имеет три вывода: два – от концов обмотки (А и В) и один от середины обмотки – О.

В один из полупериодов потенциал точки А выше потенциала точки О. По отношению к диоду VD1 – это прямое напряжение, поэтому диод VD1 открыт и в контуре протекает ток по цепи:

Тр(А) – VD1 – R_н – Тр(О).

В следующий полупериод потенциал точки В выше потенциала точки О. По отношению к диоду VD2 – это прямое напряжение, поэтому диод VD2 открыт (диод VD1 при этом заперт обратным для него напряжением) и в контуре протекает ток по цепи:

Тр(В) – VD2 – R_н – Тр(О).

Для двухполупериодной с выводом средней точки схемы выпрямителя запишем соотношения:

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения:

U₀ =2 × 0,318 U_2m = 0,9 U₂ .

Частота пульсаций: f_п = 2 f_c .

Коэффициент пульсаций: К_П =0,67

Наибольшее обратное напряжение: U_обр = U_2m = 3,14 U₀ .

Среднее значение тока: I_ср. = 0,5 I_0.

При выборе диода необходимо следить за тем, чтобы выполнялись неравенства:

U_{обр доп.} ≥ U_обр ,

I_{ср. доп..} ≥ 0,5 I_0.

Если первое неравенство не выполняется, то необходимо несколько однотипных диодов включить последовательно. Если второе неравенство не выполняется, то необходимо несколько однотипных диодов включить параллельно.

Расчет количества диодов такой же, как и для схемы однополупериодного выпрямителя.

4. Двухполупериодный мостовой выпрямитель.

Рис. 18.4

В один из полупериодов когда потенциал точки А выше потенциала точки В. По отношению к диодам VD1, VD3 – это прямое напряжение, поэтому диоды VD1, VD3 открыты (диоды VD2, VD 4 при этом заперты обратным для них напряжением) В контуре протекает ток по цепи:

Тр(А) – VD1 – R_н – VD3 — Тр(В).

В следующий полупериод потенциал точки В выше потенциала точки А. По отношению к диодам VD2, VD4 – это прямое напряжение, поэтому диоды VD2, VD4 открыты (диоды VD1, VD3 при этом заперты обратным напряжением). В контуре протекает ток по цепи:

Тр(В) – VD2 – R_н – VD 4 -Тр(А).

Для двухполупериодной мостовой схемы выпрямителя запишем соотношения:

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения:

U₀ =2 × 0,318 U_2m = 0,9 U₂ .

Частота пульсаций: f_п = 2 f_c .

Коэффициент пульсаций: К_П =0,67

Наибольшее обратное напряжение: U_обр = U_2m / 2 = 1,57 U₀ .

Среднее значение тока: I_ср. = 0,5 I_0.

При выборе диода необходимо следить за тем, чтобы выполнялись неравенства: U_{обр доп.} ≥ U_обр ,

I_{ср. доп..} ≥ 0,5 I_0.

Расчет количества диодов такой же, как и для схемы однополупериодного выпрямителя.

5. Трехфазный выпрямитель.

Рис. 18.5

Каждый из диодов открыт только в один из полупериодов соответствующей фазы трехфазного переменного тока. На нагрузке все три пульсирующих напряжения складываются.

Для трехфазной схемы выпрямителя запишем соотношения:

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения:

U₀ =0,827 U_2m = 1,17 U₂ .

Частота пульсаций: f_п = 6 f_c .

Коэффициент пульсаций: К_П =0,25

Наибольшее обратное напряжение: U_обр = √3 U_2m = 2,09 U₀ .

Среднее значение тока: I_ср. = I₀ / 3

При выборе диода необходимо следить за тем, чтобы выполнялись неравенства:

U_{обр доп.} ≥ U_обр ,

I_{ср. доп..} ≥ I₀ /3.

Контрольные вопросы.

1. Объяснить назначение в схеме электронного выпрямителя силового трансформатора.

2. Объяснить назначение в схеме электронного выпрямителя вентильной группы.

3. Объяснить назначение в схеме электронного выпрямителя сглаживающего фильтра.

4. Объяснить назначение в схеме электронного выпрямителя стабилизатора.

5. По какому закону изменяется напряжение во вторичной обмотке трансформатора?

6. По какому закону изменяется напряжение на сопротивлении нагрузки в однополупериодном выпрямителе?

7. По какому закону изменяется напряжение на сопротивлении нагрузки в двухполупериодном выпрямителе?

8. Как называется напряжение, получаемое на выходе выпрямителя и каковы ее отличия от синусоидального напряжения?

9. Чему равна постоянная составляющая выпрямленного напряжения для однополупериодного выпрямителя?

10 Чему равна частота пульсаций для однополупериодного выпрямителя?

11. Что называется коэффициентом пульсаций?

12. Чему равен коэффициент пульсаций для однополупериодного выпрямителя?

13. Чему равно наибольшее обратное напряжение для однополупериодного выпрямителя?

14. Чему равна постоянная составляющая выпрямленного напряжения для двухполупериодного выпрямителя?

15 Чему равна частота пульсаций для двухполупериодного выпрямителя?

16. Чему равен коэффициент пульсаций для двухполупериодного выпрямителя?

17. Чему равно наибольшее обратное напряжение для двухполупериодного выпрямителя с выводом средней точки?

18. Чему равно наибольшее обратное напряжение для двухполупериодного мостового выпрямителя?

19. Чему равна постоянная составляющая выпрямленного напряжения для трёхфазного выпрямителя?

20 Чему равна частота пульсаций для трёхфазного выпрямителя?

21. Чему равен коэффициент пульсаций для трёхфазного выпрямителя?

22. Чему равно наибольшее обратное напряжение для трёхфазного выпрямителя с выводом средней точки?

ЛЕКЦИЯ 19.

ТЕМА: Сглаживающие фильтры

ПЛАН

1. Назначение сглаживающих фильтров.

2. Элементы сглаживающих фильтров.

3. Сглаживающий эффект конденсатора

4. Сглаживающий эффект дросселя

ЛИТЕРАТУРА: [1], стр. 537 – 541

1. Назначение сглаживающих фильтров.

Сглаживающие фильтры используют для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Любой сглаживающий фильтр должен обеспечивать требуемый коэффициент сглаживания.

Коэффициент сглаживания – это отношение коэффициента пульсаций на входе(К_П) сглаживающего фильтра к коэффициенту пульсаций на его выходе (К_П‘).

Рис. 24.1

2. Элементы сглаживающих фильтров.

В качестве сглаживающих элементов используют конденсаторы, резисторы, дроссели. По способу включения элементов различают Г-образные, Т-образные, П-образные фильтры. Общим для всех этих фильтров является то, что во все параллельные ветви (вертикально расположены на схеме) включены конденсаторы, а во все последовательные ветви (горизонтально расположены на схеме) включены либо дроссели, либо резисторы.

3. Сглаживающий эффект конденсатора

Сглаживающий эффект конденсатора заключается в том, что для переменной составляющей выпрямленного тока он представляет малое сопротивление, поэтому пропускает переменную составляющую через себя. Для постоянной составляющей, напротив, конденсатор представляет очень большое сопротивление, поэтому постоянная составляющая выпрямленного тока передается в нагрузку.

4. Сглаживающий эффект дросселя

Сглаживающий эффект дросселя заключается в том, что для постоянной составляющей выпрямленного тока он представляет малое сопротивление, поэтому пропускает постоянную составляющую через себя в нагрузку. Для переменной составляющей, дроссель представляет большое сопротивление, поэтому на дросселе теряется большая часть переменной составляющей выпрямленного тока.

Существенным недостатком дросселя является наличие вокруг него магнитных полей. Поэтому очень часто вместо LC – фильтров применяют RC – фильтры. Недостаток RC – фильтра в то, что на активном сопротивлении теряется как переменная, так и постоянная составляющие. Поэтому RC – фильтры применяются только для выпрямителей с малыми выпрямленными токами.

Для увеличения коэффициента сглаживания возможно наращивание фильтра и использование двухзвенных, трехзвенных фильтров и т. д. Каждое звено такого фильтра представляет собой одинаковые Г-образные фильтры. При этом коэффициент сглаживания многозвенного фильтра равен:

q = q₁· q₂· … · q_n .

Контрольные вопросы.

Назначение сглаживающих фильтров?
Что называют коэффициентом пульсаций?
Что называют коэффициентом сглаживания?
Какие фильтры называют Т-образними и П-образними?
LC-фильтры. Роль емкости и роль индуктивности в процессе сглаживания пульсирующего тока?
RC-фильтры. Область их применения. Роль резистора в сглаживающем фильтре?
Использование двухконтурных сглаживающих фильтров, их коэффициент сглаживания?
Достоинства и недостатки фильтров LC и RC?

ЛЕКЦИЯ 20

ТЕМА: Полупроводниковые фотоприборы.

ПЛАН

1. Назначение фотоэлектрических приборов.

2. Явление фотоэлектрического эффекта.

3. Электронные фотоприборы.

3.1. Электровакуумный фотоэлемент.

3.2. Фотоэлектронные умножители (ФЭУ).

4. Полупроводниковые фотоприборы.

4.1.Фоторезистор.

4.2. Фотодиод.

4.3. Фототранзисторы.

ЛИТЕРАТУРА: [1], стр. 510 – 517

1. Назначение фотоэлектрических приборов.

Фотоэлектрические приборы находят широкое применение в различных областях человеческой деятельности. Их используют для автоматизации промышленности, в спектральных анализах, в космической технологии. И в быту мы часто сталкиваемся с фотоэлектрическими приборами. Те, кто бывал в крупных городах видели, как вход в метро строго охраняют зоркие фотоэлементы. Фотоприборы регулируют уличное освещение, охраняют магазины и офисы, питают микрокалькуляторы солнечной энергией, преобразованной в электрическую.

2. Явление фотоэлектрического эффекта.

Работа фотоэлектрических приборов основана на явлении, называемом фотоэлектрическим эффектом. Различают внешний и внутренний фотоэффект.

Внешний фотоэффект или фотоэлектронная эмиссия — явление выхода электронов с поверхности электрода, называемого фотокатодом под действием света. То есть энергия частиц, света — фотонов передаваемая электронам является достаточной для совершения электронами работы выхода. Это явление в 1888г. исследовал профессор Московского университета А.Г. Столетов. Он сформулировал закон, называемый законом Столетова: фототок, возникающий за счёт фотоэлектронной эмиссии пропорционален световому потоку:

где — фототок;

Ф — световой поток;

S — чувствительность фотокатода, зависит от материала его изготовления, обычно величина порядка мкА/лм.

В 1905г. Эйнштейн установил, что энергия фотона ( ) затрачивается на работу выхода ( ) и кинетическую энергию вылетевшего электрона ( ). — закон Эйнштейна.

На свойствах внешнего фотоэффекта основана работа вакуумных или электронных фотоэлементов.

Внутренний фотоэффект состоит в том, что под действием внешнего излучения в полупроводниках происходит генерация пар носителей — электронов и дырок. В данном случае энергии фотона, сообщаемой электрону достаточно для нарушения ковалентной связи в кристаллической решетке. Электрон, вырвавшись из решетки становится свободным, а на его месте остаётся носитель положительного заряда — дырка. Эти дополнительные носители увеличивают электрическую проводимость полупроводника. Таким образом, этот полупроводник обладает собственной электропроводимостью, а также фотопроводимостью. На свойствах внутреннего фотоэффекта работают полупроводниковые фотоприборы: фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры и др.

Р ассмотрим работу некоторых фотоприборов:

3. Электронные фотоприборы.

3.1 . Электровакуумный фотоэлемент.

Рис. 20.1 Конструкция

электровакуумного фотоэлемента

редставляет собой, диод у которого на внутренней стороне стеклянного баллона нанесён фотокатод в виде тонкого слоя вещества, эмитирующего фотоэлектроны. Катоды обычно бывают сурьмяно-цезиевые или серебряно — кислородно — цезиевые. Анодом является металлическое кольцо, не мешающее попаданию света на фотокатод. Внутри стеклянного баллона создан либо высокий вакуум (вакуумные фотоэлементы), либо находится разреженный инертный газ, например аргон (ионные фотоэлементы).

У ионных фотоэлементов при увеличении анодного напряжения фототок значительно возрастает в следствие ионизации газа.

Недостатком рассмотренных фотоприборов является малый фототок при больших анодных напряжениях. Для усиления фототока созданы приборы называемые фотоэлектронными умножителями.

3.2. Фотоэлектронные умножители (ФЭУ).

Рис. 26.3

Рис. 20.3.

ФЭУ усиление фототока происходит за счет вторичной электронной эмиссии. Световой поток вызывает фотоэлектронную эмиссию из фотокатода. Поток фотоэлектронов направляется к электроду, находящемуся под положительным потенциалом, который называется динодом. Динод делается из металла с сильной и устойчивой вторичной электронной эмиссией. Каждый фотоэлектрон выбивает с поверхности динода несколько вторичных электронов. Поток вторичных электронов, в несколько раз превышающий поток фотоэлектронов, направляется на второй динод (находящийся под бо′льшим положительным потенциалом по отношению к первому диноду) . На втором диноде поток электронов увеличивается ещё в несколько раз и т.д. К моменту, когда поток электронов достигнет анода, создаваемый им анодный ток: ,

где — величина фототока;

— коэффициент вторичной эмиссии;

— количество динодов.

ФЭУ — один из не многих электронных приборов, не имеющих аналогов в полупроводниковой технике. Поэтому он находит очень широкое применение: в астрономии, фототелеграфии, телевидении, для измерения малых световых потоков, в устройствах автоматизации текстильной промышленности и для спектрального анализа, например, красильных растворов.

4. Полупроводниковые фотоприборы.

4.1.Фоторезистор.

Фоторезистор представляет собой полупроводниковый резистор, изменяющий своё сопротивление под действием светового излучения. Конструктивно представляет собой пластину, на которую нанесён тонкий слой полупроводника. К концам пластины подключены выводы. Полярность включения фоторезистора роли не играет.

Фоторезисторы имеют линейную ВАХ и нелинейную зависимость тока от величины светового потока .

Рис. 20.4

При отсутствии облучения фоторезистор обладает некоторым большим сопротивлением, называемым темновым r_t (величина порядка 10⁴ Ом – 10⁷ Ом). При подключении к нему источника питания через фоторезистор протекает темновой ток. При освещении фоторезистора его сопротивление значительно уменьшается за счёт генерации в полупроводнике дополнительных пар носителей. К темновому току добавляется ток, вызванный движением этих дополнительных носителей и называемый фототоком.

Д остоинством фоторезисторов является простота, что обусловливает их широкое применение в схемах автоматики.

Недостатки: характерная для полупроводников зависимость сопротивления от температуры, а также инерционность, то есть после прекращения облучения необходимо время для рекомбинации электронов и дырок.

4.2. Фотодиод.

Рис. 20.5

редставляют собой полупроводниковые диоды, в которых используется внутренний фотоэффект. Фотодиоды могут работать в двух режимах:

— с включением внешнего источника питания — фотодиодный режим:

— работающие без внешнего источника питания, то есть преобразующие энергию излучения в электрическую. Такой режим работы называется вентильным или фотогальваническим (фотогенераторным) .

Рис. 20.6

ассмотрим в начале фотодиодный режим работы. Фотодиод подключён к источнику с обратной полярностью напряжения. Под действием света на р-п-переход и прилегающие к нему области происходит генерация пар носителей, что увеличивает количество неосновных носителей заряда в каждой из областей. В результате обратный ток, вызванный движением неосновных носителей заряда, значительно увеличивается.

При отсутствии освещения через фотодиод протекает обычный обратный

ток, называемый темновым (величина 1-20 мкА). При освещении ток увеличивается до сотен микроампер.

Более интересным является вентильный или фотогальванический режим работы фотодиода. Интересен он тем, что фотодиод работает без внешнего источника питания и сам может работать в качестве источника электрической энергии. На принципе фотогальванического эффекта работают солнечные батареи космических станций, строят солнечные электростанции в пустынях Туркмении и даже экспериментируют в создании автомобилей, оснащенных электродвигателем, работающим на солнечных батареях.

Так за счёт чего вырабатывается ЭДС при освещении фотодиода? Фотоны света, воздействуя на p-n-переход и прилегающие к нему области вызывают генерацию пар носителей заряда. Возникшие дополнительные носители заряда диффундируют к р-п-переходу. На р-п-переходе имеется внутреннее электрическое поле или потенциальный барьер. Это поле разделяет носители заряда, отталкивая электроны – в область п, а дырки— в область р. В результате такого разделения в областях п и р накапливаются избыточные основные носители, то есть создаются соответственно заряды электронов и дырок и возникает разность потенциалов, которую называют фото – ЭДС (Е_ф) . Значение фото — ЭДС может достигать десятых долей вольта. При подключении к вентильному фотодиоду нагрузки возникает фототок

где R_i— внутреннее сопротивление самого фотоэлемента.

В настоящее время применяют селеновые и сернистоталлиевые вентильные фотоэлементы. В качестве солнечных преобразователей используют кремниевые фотоэлементы, из которых путём их последовательного и параллельного соединения создают солнечные батареи, обладающие сравнительно высоким КПД (20 %), и вырабатывающие мощность до нескольких киловатт.

3. Фототранзисторы.

Работу фототранзистора рассмотрим на примере биполярного фототранзистора, который представляет собой обычный транзистор, в корпусе которого сделана прозрачное «окно», через которое световой поток может воздействовать на область базы. Если у обычного транзистора на базу подаётся входной сигнал, управляющий выходным током транзистора, то у фототранзистора область базы остаётся «свободной», то есть не включённой, а выходной ток изменяется в зависимости от степени освещённости базы.

Рис. 20.7

ринцип работы фототранзистора следующий. Фотоны света вызывают в базе генерацию пар носителей, которые диффундируют к коллекторному переходу, где, также как и в фотодиоде, происходит разделение носителей. Коллекторный переход аналогично фотодиоду находится под обратным напряжением и увеличение числа носителей на этом переходе приводит к увеличению тока через переход.

Выходные характеристики фототранзистора аналогичны схеме включения с общим эмиттером ( ).

Работа полевых транзисторов основана на том,что при освещении канала, в нём генерируются дополнительные носители заряда, что увеличивает проводимость канала.

Интерес представляют МДП транзисторы с индуцированным каналом. В этих транзисторах токопроводящий канал возникает только при освещении области затвора. Из всех рассмотренных фотоприборов — этот единственный не имеющий темнового тока.

Фотодиоды и фототранзисторы широко используют в схемах автоматики, причём фототранзистор выполняет одновременно роль фоточувствительного и усилительного элемента. Кроме того, в схемах автоматики в качестве бесконтактных ключей находят применение фототиристоры, работа которых аналогична обычным тиристорам, только в качестве сигнала управления, отпирающего тиристор используется световой поток.

Контрольные вопросы.

1. Назначение фотоэлектрических приборов

2. Что называется внешним фотоэффектом или фотоэлектронной эмиссией?

3. Что называется внутренним фотоэффектом?

4. Что представляет собой вакуумный фотоэлемент?

5. Что представляет собой фотоэлектронные умножители?

6. Какой из вакуумных фотоприборов не имеет аналогов в полупроводниковой технике?

7. Где применяются вакуумные фотоэлементы?

8. Где применяются фотоэлектронные умножители?

9. Назначение и конструкция фоторезистора.

10. Достоинства и недостатки фоторезисторов.

11. Что представляет собой фотодиод?

12. Объяснить работу фотодиода в фотодиодном режиме.

13. Объяснить работу фотодиода в фотогенераторном режиме.

14. Что представляет собой фототранзистор?

15. Объяснить принцип работы фототранзистора.

16. Где применяются фотодиоды и фототранзисторы?

Список литературы

Основные источники:

Данилов И.А., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники. – М.: Высшая школа, 2010. — 752с.
П.В. Ермуратский, Г.П. Лычкина, Ю.Б. Минкин. Электротехника и электроника. — М.: ДМК Пресс, 2011. — 416 с.
Электротехника и электроника / Под ред. Б.И. Петленко. – М.: Издательский центр «Академия», 2008.- 320 с.
Иванов И. И., Соловьев Г. И., Фролов В. Я. Электротехника и основы электроники. — СПб.: Издательство «Лань», 2012. — 736 с.

Дополнительные источники:

Долгов А.Н. Сборник задач по физике с решением и ответами. Электричество и оптика. – 186с.
Ермуратский П.В.,Лычкина Г.П., Минкин Ю.Б. — Электротехника и электроника. – 416с.
Зайцев А.П. Общая электротехника и электроника. – Томск: Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2002. – 178с.
Карандаков Г.В. Конспект лекцій з дисципліни Електротехніка, електроніка і мікропроцесорна техніка. – Київ: НТУ, 2008. – 230с.
Козлова И. С. Электротехника. Конспект лекций. — ЭКСМО, 2008. — 160 с.
Мартынова И.О. Электротехника: учебник/ И.О. Мартынова. — М .: КНОРУС, 2015. — 304 с.
Петленко Б.И. Электротехника и электроника. Москва, 2003. – 230с.
Прошин В.М. Электротехника для неэлектрических профессий. М:. – Академия, 2014. — 456с.
Прошин В.М. Электротехника. М.: — Академия, 2013. – 288с.
Прянишников В.А. Электроника. Курс лекций. – СПб.: КОРОНА, 2000. – 416с.

132

Источник

Работа и мощность электронного тока

Работа источника электроэнергии при перемещении заряда q повдоль некого участка равна произведению этого заряда на напряжение U меж концами участка:

А = qU

Если этот перенос зарядов делается умеренно в течение времени t током I, то

q = It

на основании чего

А = Ult

т. е. при постоянных напряжении и токе работа равна произведению напряжения на силу тока и на время. Таким макаром, единица работы дж = в х а х сек

Но для оценки энергетических критерий принципиально, как быстро совершается работа. Отношение работы А к соответствующему промежутку времени t именуется мощностью Р. Таким образом, в электронной цепи

Единица мощности ватт (вт), вт=(дж : сек)= в х а

Ватт — это мощность, при которой за 1 сек совершается работа в 1 дж. В СИ он употребляется как единица для самых различных видов мощности. А именно же, для электронных цепей ватт есть мощность электронного тока в 1 а при напряжении на концах проводника в 1 в.

Кратные единицы мощности: кв (квт) = 1000 вт и мегаватт (Мвт) = 1 000 000 вт

Основная единица энергии и работы — джоуль — очень мала для измерений в электроэнергетических устройствах. Практической единицей электронной энергии служит киловатт-час (квт • ч). Это работа, совершаемая при постоянной мощности в 1 квт в течение 1 ч. 1 вт х сек = 1дж. 1 вт х ч = 3600 вт х сек = 3600 дж, как следует, 1 квт х ч = 3 600 000 дж.

Выражение мощности электронного тока (30) можно преобразовать, заменив в нем, на основании закона Ома напряжение U = Ir либо ток I = Ug. Как следует, можно составить три выражения мощности электронного тока:Следует использовать то либо другое выражение мощности в зависимости от критерий исследуемой цепи.

Одну и ту же мощность можно получить как при низком напряжении и большой силе тока, так и при высочайшем напряжении и малой силе тока.

Разглядим, как оказывает влияние напряжение на рассредотачивание мощности в простейшей системе передачи электроэнергии, состоящей из источника энергии, полосы передачи и некоторой нагрузки. Напряжение источника U_н складывается из напряжения нагрузки U_n и утраты напряжения в проводах полосы Ir_л как следует,Умножив это уравнение на силу тока I, получим уравнение распределения мощности в цепи:где UI— мощность, отдаваемая источником электроэнергии;

I²r_Л — утрата мощности в проводах полосы (на нагревание);

U_нI — мощность, потребляемая нагрузкой. Если, не изменяя мощности нагрузки, прирастить вдвое напряжение на ее зажимах методом увеличения напряжения источника то сила тока нагрузки должна быть уменьшена вдвое, т. е. до величины I’=1/2.

Это вызовет уменьшение утрат мощности в проводах полосы вчетверо:Как следует, для уменьшения утрат в полосы передачи желательно передавать электроэнергию при может быть более высоком напряжении.

Источник

Отношение — работа

Cтраница 1

Отношение работы, произведенной движущей силой, ко времени, затраченному на совершение этой работы, называется мощностью.
[1]

Отношение работы А к промежутку времени t, в течение которого она выполняется, называется мощностью.
[2]

Отношение работ равно — — тг — А.
[3]

Отношение работы А к промежутку времени /, в течение которого она выполняется, называется мощностью.
[4]

Отношение работы, произведенной движущей силой, ко времени, затраченному на совершение этой работы, называется мощностью.
[5]

Отношение работ образования критических трехмерного и двухмерного зародышей, как показывает сопоставление выражений ( IV — 18) и ( IV — 48), определяется безразмерной величиной аКш / Ац 6, которая может быть записана также в виде ст62 / А д, ( № / Vm), где числитель — это поверхностная энергия одной ячейки решетки кристалла, а знаменатель — разность химических потенциалов, отнесенная к одной молекуле. При малых пересыщениях работа образования трехмерного зародыша значительно выше работы образования двухмерного зародыша; между тем и эта последняя величина достаточно существенна, чтобы заметно затруднить рост частиц новой фазы. Экспериментальные исследования процессов кристаллизации показывают, однако, что в реальных системах обычно не возникает существенных кинетических затруднений росту кристаллов при малых пересыщениях.
[6]

Отношение работы сторонних сил по перемещению положительного заряда вдоль некоторого участка цепи к величине этого заряда носит название электродвижущей силы на данном участке. В рассмотренном случае работа сил, вызывающих диффузию, при перемещении заряда против электрического поля в контакте определяется величиной скачка потенциала. Поэтому это действительно, электродвижущая сила в обычном смысле этого слова. Но, конечно, такой контакт двух различных металлов в обычных условиях не может служить источником тока. Легко убедиться, что в замкнутой цепи из разных металлов, все участки которой поддерживаются при одной и той же температуре, сумма всех скачков потенциала равна нулю и ток в цепи отсутствует. Если поддерживать контакты при разных температурах, то сумма скачков не равна нулю и представляет собой термоэлектродвижущую силу.
[7]

Отношение работы сил электрического поля по перемещению заряженной частицы между двумя точками к величине заряда частицы называется электрическим напряжением между этими точками.
[8]

Отношение работы Лт непроизводственных сопротивлений к работе движущих сил принято обозначать через р и называть коэффициентом потерь в механизме.
[9]

Отношение работы Лт непроизводственных сопротивлений к работе движущих сил принято обозначать через ср и называть коэффициентом потерь в механизме.
[10]

Отношение работы Лт непроизводственных сопротивлений к работе движущих сил принято обозначать через з и называть механическим коэффициентом потерь.
[11]

Отношение работы Лт непроизводственных сопротивлений к работе движущих сил принято обозначать через i и называть механическим коэффициентом потерь.
[12]

Найти отношение работ, которые совершает человек, растягивающий пружины динамометра от О до ЮН, от 10 до 20 Н, от 20 до ЗОН.
[13]

Найти отношение работ, затраченных двигателем на разгон на втором и первом отрезках пути.
[14]

Величина отношения работ имеет при анализе обратных циклов не меньшее, а пожалуй, большее значение, чем в случае прямых круговых процессов.
[15]

Страницы:

Источник