Пример контрольной работы по физике: Под действием однородного магнитного поля перпендикулярно линиям индукции начинает перемещаться прямолинейный проводник с силой тока 100 А и массой 20 г. К

Выдержка из текста работы

Электрический заряд Q – одно из физических свойств, которым могут обладать частицы. Проявляется во взаимодействии частиц, обладающих зарядами между собой и с электрическим полем, в которое вносят частицы.

Единица заряда в международной системе единиц (SI) – кулон (КЛ;K).

Напряжённость электрического поля (Е) – основная характеристика поля; характеризует силовое действие поля на заряды. Величина – векторная. Направление вектора напряжённости совпадает с направлением силы, действующей на положительные заряды.

1.1F – сила, с которой поле действует на заряд Q.

Единица напряжённости в SI – вольт на метр (В/м; V/m).

Напряжение между какими-либо двумя точками поля (U) – величина численно равная работе, которую совершают силы поля, при перемещении одиночного заряда (равного одному кулону) из одной точки поля в другую. Если силами поля F при перемещении заряда Q из одной точки поля в другую совершена работа A, то напряжение между этими точками определяется по формуле

 

L – расстояние между точкам.

Единица напряжения в SI – вольт (В;V).

1В=10^-3кВ=10³мВ

кВ (kV) – киловольт; мВ (mV) – милливольт.

Потенциал какой-либо точки поля (φ) – величина, численно равная значению потенциальной энергии, которой обладает единичный заряд, находящийся в этой точке. Если заряд Q находящийся в какой-либо точке поля обладает потенциальной энергией W, то потенциал этой точки поля будет

φ=W/Q

2. Электрическое поле в диэлектриках.

При нормальных условиях диэлектрик (изолятор) обладает ничтожной электропроводностью. Это свойство сохраняется до тех пор, пока напряжённость внешнего электрического поля не достигнет значения, при котором произойдёт пробой диэлектрика, т.е. местное разрушение его с образованием канала высокой проводимости.

Напряжённость поля, при которой происходит пробой диэлектрика, называется электрической прочностью диэлектрика Е_пр, а напряжение – пробивным Uпр.

U_пр = E_пр∙h 1.2,

где h – толщина диэлектрика в месте пробоя.

Электрическая прочность измеряется в кВ/см или кВ/мм.

Напряжённость электрического поля, которая допускается в диэлектрике (изоляторе) при его применении в электрических установках, называется допустимой напряжённостью. Для надёжной работы установки нужно, чтобы допустимая напряжённость была в несколько раз меньше электрической прочности.

Пробой диэлектриков может быть электрическим, электрохимическим и тепловым.

При электрическом пробое немногочисленные в начальный момент свободные электроны в диэлектрике под действием электрического поля достигают скорости, достаточной для выбивания новых электронов из нейтральных атомов и молекул, так что возникает ударная ионизация, приводящая к пробою.

При электрохимическом пробое длительное воздействие напряжения, под влиянием которого развиваются электрохимические процессы, приводит к увеличению электрической проводимости и уменьшению электрической прочности диэлектрика, что и приводит к пробою.

При тепловом пробое происходит разогрев диэлектрика в электрическом поле до значений, при которых возникает термическое повреждение или разрушение, например растрескивание, обугливание и т.д.

После пробоя газового и жидкого диэлектриков и снятие напряжения электрические свойства диэлектрика почти полностью восстанавливаются. При пробое твёрдого диэлектрика канал высокой проводимости сохраняется и после снятия напряжения, и диэлектрик выходит из строя.

В переменном электрическом поле происходит разогрев диэлектрика. Данное явление используют для сушки различных диэлектрических материалов.

3. Проводники в электрическом поле.

В проводнике, помещённом во внешнее электрическое поле с напряжённостью Евн, свободные электроны под действием поля будут перемещаться в направлении противоположном направлению внешнего поля. Вследствие этого на стороне проводника, обращённой к направлению вектора напряжённости поля, образуется отрицательный заряд, а на противоположной стороне — положительный заряд. Разделение зарядов приводит к возникновению добавочного электрического поля, вектор напряжённости которого направлен противоположно вектору напряжённости внешнего поля. Разделение зарядов продолжается до тех пор, пока созданное ими внутри проводника поле не компенсирует внешнее поле, следовательно, результирующего поле внутри проводника отсутствует.

Явление разделения зарядов на проводящих телах под влиянием внешнего электрического поля называется электростатической индукцией.

 

При помощи электростатической индукции, например, защищают какую-либо часть пространства от электростатического поля. Для этого защищаемое пространство окружают замкнутой проводящей оболочкой – экраном (рис. 1.1). Вследствие электростатической индукции на внешней поверхности оболочки появятся электрические заряды, но в самой оболочке и внутри неё поле отсутствует. В технике для экранирования вместо сплошных оболочек часто применяют оболочки металлических сеток.

 

Лекция № 2.

Тема 1.2: Основные элементы электрической цепи постоянного тока.

Вопросы:

1. Электрическая цепь и её основные элементы.

2. Закон Ома для участка и полной цепи. Законы Кирхгофа.

3. Последовательное, параллельное и смешенное соединение резисторов.

1. Электрическая цепь и её основные элементы.

Электрическая цепь – совокупность элементов, предназначенных для проведения по ним электрического тока.

Основные элементы цепи: источники электрической энергии (источники ЭДС или источники тока), приёмники электрической энергии (потребители) и соединительные провода.

Внутренний участок цепи – источник.

Внешний участок – всё, что присоединено к источнику.

Ветвь электрической цепи участок цепи, по которому течёт один и тот же ток.

Узел электрической цепи – место соединения между собой нескольких ветвей; узел на электрических схемах обозначают точкой.

Контур электрической цепи – замкнутый путь по нескольким ветвям.

Электрический параметр – величина, влияющая на силу тока , напряжение и мощность в цепи и на отдельных её участках. Электрическими параметрами являются сопротивление, ёмкость, индуктивность и взаимная индуктивность.

Цепь с сосредоточенными параметрами – параметры сосредоточены в участка цепи.

Цепь с распределёнными параметрами — параметры распределены по всей цепи.

Линейный элемент – элемент, параметр которого не зависит от тока, протекающего через этот элемент, или от напряжения на нём.

Линейная цепь – цепь, содержащая только линейные элементы. Если цепь содержит хотя бы один нелинейный элемент, она будет нелинейной.

2. Закон Ома для участка и полной цепи. Законы Кирхгофа.

Закон Ома для участка цепи: сила тока, протекающего по участку цепи прямо пропорциональна напряжению между концами участка и обратно пропорциональна его сопротивлению.

I = U/R 1.3.

 

 

Первый закон Кирхгофа: сумма токов, приходящих в узел, равна сумме токов, отходящих от узла или: алгебраическая сумма токов в узле равна нулю.

Для узла А (рис.1.3): I₁+I₃+I₅=I₂+I₄ или I₁-I₂+I₃-I₄+I₅=0 1.4

Второй закон Кирхгофа: алгебраическая сумма ЭДС, действующих в контуре, равна алгебраической сумме напряжений на всех резисторах контура.

Для контура на рис. 1.4: -E₁+E₂-E₃=I₁r₁-I₂r₂-I₃r₃-I₄r₄ 1.5

 

В соответствии со вторым законом Кирхгофа: E=Ir+IRотсюда:

1.6 

3. Последовательное, параллельное и смешенное соединение резисторов.

1. Последовательное соединение.

При последовательном соединении через все резисторы течёт один и тот же ток.

В соответствии со вторым законом Кирхгофа

U=U₁+U₂+U₃=IR₁+IR₂+IR₃=I(R₁+R₂+R₃)=IR

R=R₁+R₂+R₃

Для любого числа n последовательно соединённых резисторов

1.7.Замена всех последовательно соединённых резисторов одним резистором, сопротивление которого должно быть равно сумме сопротивлений всех резисторов , не приведёт к изменении тока в цепи, т.е .такая замена будет эквивалентной.

2. Параллельное соединение.

Если резисторы присоединены к одному и тому же узлу, значит они соединены параллельно. Параллельно соединённые резисторы находятся под одним и тем же напряжением.

 

В соответствии с первым законом Кирхгофа

 

 

G=G₁+G₂+G₃/

Для любого числа n параллельно соединённых резисторов

.1.8.Замена всех параллельно соединённых резисторов одним резистором, проводимость которого должна быть равна сумме проводимостей всех заменяемых резисторов, будет эквивалентной.

3. Смешенное соединение резисторов.

 

Расчёт цепи со смешенным соединением резисторов производят путём её последовательного упрощения.

Пример расчёта.

Известны: 1) сопротивления резисторов R1, R2, R3, R₄, R₅.

2) ЭДС источника питания Е.

Нужно определит токи во всех ветвях цепи (рис.1.8).

Порядок расчёта.

1). Определяем эквивалентное сопротивление последовательно соединённых резисторов R₃ и R₄: R_3,4=R₃+R₄.

2). Вместо резисторов R₃ и R₄, присоединённых к узлам а и б (рис. 1.8,а), присоединяем к этим же узлам резистор R_3,4, сопротивление которого определили в п.1 (рис. 1.8,б).

3). Определяем эквивалентное сопротивление параллельно соединённых резисторов R₂ и R_3,4: .

4). Вместо присоединённых к узлам а и б резисторов R₂ и R_3,4 (рис. 1.8,б) присоединяем к этим же узлам резистор , сопротивление которого определили в п. 3 (рис. 1.8,в).

5). Определяем эквивалентное сопротивление трёх последовательно соединённых резисторов на рис. 1.8,в: R=R₁+ +R₅ .

6). Вместо присоединённых к источнику ЭДС резисторов R₁, и R₅ присоединяем к источнику резистор, сопротивление которого определили в п. 5 (рис. 1.8,г).

7). Определяем ток .

8). В схеме 1.8,в определяем напряжение между узлами а и б .

9). В схеме 1.8,б определяем токи I₂=U_аб/R₂ и I₃=I₄=U_аб/R_3,4

 

Лекция № 3.

Раздел 2. Электромагнетизм.

Тема 2.1: Основные свойства магнитного поля.

Вопросы:

1. Основные свойства магнитного поля.

2. Электромагнитные силы.

1. Основные свойства магнитного поля.

Магнитное поле является второй стороной электромагнитного поля. Оно обнаруживается по силовому действию на движущиеся заряды: в магнитном поле изменяется траектория движения зарядов .

Магнитное поле возбуждается проводниками с током. На рисунках магнитное поле изображают замкнутыми линиями со стрелками. Для прямолинейного проводника с током магнитные линии представляют собой концентрические окружности с центрами, лежащими на оси проводника.

Правило буравчика (правого винта) для прямолинейного проводника: если рукоятку буравчика вращать так, чтобы направление его поступательного движения совпадало с направлением тока в проводнике, направление вращения рукоятки укажет направление магнитных линий вокруг проводника

Магнито-движущая сила (МДС) – величина, характеризующая способность проводников с током возбуждать магнитное поле.

Для прямолинейного проводника

F = I 2.1.

Для катушки с током

F =Iw 2.2.

F – МДС проводника (катушки); I – ток в проводнике (катушке); w – число витков катушки.

МДС – величина направленная. Направление МДС прямолинейного проводника совпадает с направлением тока в нём. Направление МДС катушки удобно определять по правилу правой руки.

 

Если катушку обхватить правой рукой так, чтобы четыре пальца совпадали с направлением тока в витках катушки, то отогнутый под прямым углом большой палец укажет направление МДС катушки.

Магнитная индукция (B) – величина, характеризующая интенсивность магнитного поля с учётом магнитных свойств среды, в которой существует поле.

Магнитная индукция – величина векторная.

Единица магнитной индукции в SI – тесла (Т).

Однородное поле – поле, во всех точках которого

Если поле однородное и перпендикулярен некоторой поверхности, площадь которой равна S, то магнитный поток (поток вектора магнитной индукции) будет равен

Ф = BS 2.3.

Единица магнитного потока в SI — вебер (Вб; Wb).

Если со всеми w витками контура сцеплён один и тот же магнитный поток Ф, то потокосцепление этого контура Ψ определяется как

Ψ = Ф∙w 2.4.

Абсолютная магнитная проницаемость (µ_а) – величина, характеризующая магнитные свойства среды.

Магнитная постоянная (абсолютная магнитная проницаемость вакуума, µ₀).

Относительная магнитная проницаемость (µ_r)

µ_r= µ_а/µ₀

Единица абсолютной магнитной проницаемости в SI: генри на метр (Г/м; H/m).

Напряжённость магнитного поля(H) – величина, характеризующая интенсивность магнитного поля без учёта магнитных свойств среды. ). Напряжённость зависит только от МДС и является её частью, которая приходится на единицу длины магнитной линии. Очевидно, что единицей напряжённости магнитного поля в SI является ампер на метр (А/м; A/m).

Напряжённость, так же как и магнитная индукция, – величина векторная.

2. Электромагнитные силы.

Если проводник с током находится в магнитном поле, то на него действует электромагнитная сила F. Если направление вектора силы перпендикулярно направлению вектора индукции и направлению тока , то электромагнитная сила, действующая на проводник со стороны однородного магнитного поля определяется по формуле

F = BIl 2.5.

B – магнитная индукция поля; I – ток в проводнике; l – длина проводника.

 

Правило левой руки: если вектор магнитной индукции входит в ладонь, а четыре вытянутых пальца совпадают с направлением тока, то отогнутый под прямым углом большой палец указывает направление электромагнитной силы.

 

 

Лекция № 4.

Тема: 2.2. Электромагнитная индукция.

Вопросы:

1. Магнитная цепь.

2. Явление электромагнитной индукции.

3. Явления самоиндукции.

4. Явление взаимоиндукции.

1. Магнитная цепь.

К ферромагнитным материалам (ферромагнетикам) относятся железо, сталь, никель, кобальт, их сплавы, а также ферриты – соединения окиси железа с окислами других металлов (цинка, никеля и т.д.), пермаллои (сплавы железа с никелем или молибденом, хромом, кремнием, алюминием) и др.

Свойства ферромагнетиков.

1. Ферромагнетики способны намагничиваться т.е. приобретать собственное магнитное поле. Это поле усиливает внешнее магнитное поле и может сохраняться длительное время.

2. Ферромагнетики обладают большой магнитной проницаемостью, т.е. они хорошо проводят магнитный поток.

3. Магнитная проницаемость ферромагнетика – величина не постоянная. Она зависит от интенсивности внешнего поля, в котором находится ферромагнетик.

Магнитная цепь – устройство, отдельные части которого выполнены из ферромагнитных материалов, по которым замыкается магнитный поток. Эти части называют магнитопроводом.

Магнитные цепи бывают разветвлёнными и неразветвлёнными. Примером разветвлённой магнитной цепи служит магнитная цепь электрической машины или некоторых трансформаторов. Примером неразветвлённой магнитной цепи являются постоянные магниты, которые используются в некоторых электроизмерительных приборах, датчиках тахометров и др. устройствах.

2. Явление электромагнитной индукции.

Электромагнитная индукция была открыта английским физиком Майклом Фарадеем в 1831 году.

Суть этого явления состоит в том, что при всяком изменении потокосцепления контура, в нём индуктируется (наводится) ЭДС, которая называется ЭДС электромагнитной индукции. Величина этой ЭДС не зависит от того, что является причиной изменения потокосцепления: изменение самого магнитного поля или движение контура (или его части) в магнитном поле.

Если контур, в котором индуктируется ЭДС проводящий, то под действием этой ЭДС в контуре будет протекать ток, который называют идукционным.

В результате опытов Фарадей установил основной закон, характеризующий явление электромагнитной индукции количественно:

2.6.- скорость изменения потокосцепления контура;

— скорость изменения магнитного потока, сцеплённого с контуром;

w- число витков контура;

ЭДС электромагнитной индукции наводится и в отдельной части контура, например в прямолинейном проводнике, при пересечении им магнитного потока. Если проводник расположен перпендикулярно вектору магнитной индукции и направление вектора скорости движения проводника относительно магнитного поля (или скорости движения поля относительно проводника) то же перпендикулярно вектору магнитной индукции , то ЭДС, индуктированная в проводнике определяется по формуле:

e =B l v 2.7.

B – магнитная индукция; l – длина проводника; v – линейная скорость движения проводника (или поля относительно проводника).

 

Если ладонь расположить так, чтобы вектор магнитной индукции B входил в неё, а отогнутый под прямым углом большой палец совпадал с направлением линейной скорости движения проводника v, то четыре вытянутых пальца укажут направление ЭДС E, индуктированной в проводнике.

На использовании явления электромагнитной индукции основан принцип действия электромеханических генераторов.

3. Явление самоиндукции.

Магнитный поток самоиндукции – магнитный поток, возбуждённый током i контура и сцеплённый с этим же контуром.

Потокосцепление самоиндукции (Ψ_L)– потокосцепление контура с потоком самоиндукции.

Ψ_L = L∙i 2.8.

L – собственная индуктивность (индуктивность) контура.

Единица индуктивности в SI – генри (Г; H).

Индуктивность зависит от размеров и формы контура, от числа его витков и от абсолютной магнитной проницаемости среды, в которой существует магнитное поле.

Явление самоиндукции состоит в том, что при всяком изменении тока в контуре, в последнем индуктируется ЭДС, которую называют ЭДС самоиндукции (e_L).

.При L = const

– скорость изменения потокосцепления контура с магнитным потоком, который возбуждён током этого же контура.

2.9.4. Явление взаимоиндукции.

Контуры называют индуктивно или магнитосвязанными, если часть магнитного потока, созданного током одного контура, сцепляется со вторым контуром.

На рис. 2.6. ток i₁, протекающий в контуре 1, создаёт поток Ф_1L(поток самоиндукции). Часть этого потока (Ф_2M) сцеплена с контуром 2. Поток Ф_2M называют потоком взаимной индукции.

Контуры 1 и 2 – индуктивно (магнитосвязанные).

Потокосцепление (Ψ_2М) контура 2 с магнитным потоком Ф_2M называют поткосцеплением взаимной индукции.

Ψ_2М =M∙i₁ 2.10.

М – коэффициент взаимной индуктивности. Он зависит от числа витков контуров, их размеров и формы, их взаимного расположения и от абсолютной магнитной проницаемости среды, в которой существует магнитное поле.

Изменение тока i₁ приведёт к изменению потокосцепления Ψ_2М, а это, в свою очередь, — к индуктированию в контуре 2 ЭДС взаимной индукции e_2M.

 

— скорость изменения потокосцепления второго контура с магнитным потоком, возбуждённым током первого контура.

Если M=const, то

2.11.Знак «минус» для индуктированных ЭДС ( формулы 2.6, 2.9 и 2.11) свидетельствует о том, что эти ЭДС стремятся вызвать токи, направленные таким образом, чтобы воспрепятствовать изменению магнитного потока. Это положение выражает собой сформулированный Ленцем принцип электромагнитной инерции. Этот принцип можно сформулировать так: при всякой попытке изменить магнитные потоки, сцепляющиеся с контурами, в контурах возникают электродвижущие силы, стремящиеся воспрепятствовать этому изменению.

На использовании явления взаимной индуктивности основан принцип действия трансформаторов.

 

 

Лекция № 5.

Раздел 3. Однофазные цепи переменного тока.

Тема 3.1: Синусоидальные ЭДС и токи.

Вопросы:

1. Характеристики синусоидального тока.

2. Получение синусоидального тока.

1. Характеристики синусоидального тока.

Переменный ток – ток, изменяющийся во времени.

Синусоидальный ток – переменный ток, изменяющийся по синусоидальному закону.

Период тока (напряжения, ЭДС) – промежуток времени, в течение которого ток (напряжение, ЭДС) совершает полный цикл своих изменений. Период обозначают буквой Т.

Частота тока (напряжения, ЭДС) число периодов в единицу времени.

3.1.Единица частоты (f) в SI – герц (Гц; Hz)

Мгновенное значение тока (напряжения, ЭДС) –значение тока (напряжения, ЭДС) в какой-либо конкретный момент времени его изменения. Мгновенные значения обозначают строчными буквами латинского алфавита (i,u,e).

Амплитудное (максимальное) значение тока(напряжения, ЭДС) – наибольшее из всех мгновенных значений тока (напряжения, ЭДС).Амплитудные значения обозначают прописными буквами латинского алфавита с индексом: I_m,U_m,E_m.

 

В технических характеристиках электрооборудования приводят номинальные действующие значения тока (напряжения, ЭДС).

Действующее значение тока (напряжения, ЭДС) – значение тока, равное постоянному току, оказывающему эквивалентное с переменным током нагревание проводников. Действующее значение тока (напряжения, ЭДС) обозначают прописными буквами латинского алфавита без индексов: I, U, E.

 

 

Электрический угол аргумент мгновенного значения синусоидального тока (напряжения, ЭДС) на его графике. Электрический угол изменяется во времени. За время, равное одному периоду электрический угол изменяется на 360 электрических градусов или на 2π радиан.

Угловая частота (ω) –скорость изменения электрического угла.

3.2.Единица угловой частоты в SI – радиан в секунду (с-¹; s-¹)

Начальная фаза тока (напряжения, ЭДС) – значение электрического угла, соответствующее начальному значению тока (напряжения, ЭДС). Начальную фазу обозначают строчной буквой греческого алфавита (Ψ), которая может быть с индексом или без него.

На рис. 3.1,а начальная фаза тока равна нулю, поэтому мгновенное значение тока, имющего нулевую начальную фазу, определяется по формуле:

Ток, график которого приведен на рис.3.1,б имеет положительную начальную фазу+Ψ. Начало синусоиды находится слева от начала системы координат. Мгновенное значение этого тока определяется по формуле:

При отрицательной начальной фазе начло синусоиды находится справа от начала системы координат. В этом случае для мгновенного значения тока выражение имеет вид: .

Сдвиг фаз – разность начальных фаз двух величин (например, двух токов); сдвиг фаз между любыми двумя величинами, за исключением сдвига фаз между напряжением и током, так же обозначают буквой Ψ. Сдвиг фаз между напряжением и током обозначают буквой φ;

2. Получение синусоидального тока.

Синусоидальный ток протекает в цепи под действием синусоидальной ЭДС, которая индуктируется в обмотке генератора, расположенной на его неподвижной части (статоре — c). На полюсах вращающейся части генератора (роторе — р) располагают обмотку возбуждения (ОВ), по которой пропускают постоянный ток (ток возбуждения).

Магнитная система генератора переменного тока конструктивно выполнена так, что магнитная индукция поля в воздушном зазоре между ротором и статором распределена по синусоидальному закону (рис. 3.3)

Точки 1, 4, 5 и 7, в которых магнитная индукция равна нулю, расположены в воздушном зазоре, находящемся между осями разноимённых полюсов. В точках, расположенных под серединами полюсов, магнитная индукция имеете амплитудное значение B_m (рис.3.3).

В любой точке зазора, например в точке 2, магнитная индукция B = B_m∙sin β, где

β – угол между точкой 1 воздушного зазора, в которой магнитная индукция равна нулю, и точкой 2.

При вращении ротора в каждом проводнике обмотки статора будет индуктироваться синусоидальная ЭДС

Если ротор генератора имеет одну пару полюсов (р=1), то за один его оборот в обмотке статора будет индуктирована ЭДС, имеющая один период. При р парах полюсов ЭДС, индуктированная в обмотке статора, будет иметь р периодов. Если же ротор, имеющий р пар полюсов, будет вращаться со скоростью n оборотов в минуту, то число периодов ЭДС, индуктированной в обмотке статора будет равно pn.

Как было сказано ранее, частота представляет собой величину, равную числу периодов в секунду. Следовательно, частота ЭДС, индуктированной в обмотке статора генератора будет:

3.3.Электрические цепи с активным и реактивным сопротивлениями.

1. Цепь синусоидального тока с активным сопротивлением.

2. Цепь синусоидального тока с конденсатором.

3. Цепь синусоидального тока с индуктивностью(изучить самостоятельно).

1. Цепь синусоидального тока с активным сопротивлением.

Активное сопротивление – сопротивление какого-либо элемента в цепи переменного тока напряжение, на котором и ток, через который совпадают по фазе. Активным сопротивлением, например, обладают резисторы. Активное сопротивление обозначают буквами r или R.

В элементах электрической цепи, обладающих активным сопротивлением, электрическая энергия преобразуется в тепловую.

Синусоидальные величины могут изображаться вращающимися в плоскости рисунка против часовой стрелки векторами; угловая скорость вращения вектора принимается равной угловой частоте величины, которую вектор изображает. Длина вектора в выбранном масштабе равна амплитудному или действующему значению изображемой им величины.

Векторная диаграмма – совокупность векторов, изображающих синусоидальные величины одной и той же частоты. Угол между векторами равен углу сдвига фаз между величинами. На рис.3.4,в) угол между векторами, изображающими напряжение и ток в цепи, равен нулю, т.к. в этой цепи, как было сказано выше, напряжение и ток совпадают по фазе.

Активная мощность – средняя за период мгновенная мощность p. Активную мощность изображают прописной буквой латинского алфавита P.

Единицей активной мощности является ватт.

 

 

2. Цепь синусоидального тока с конденсатором.

В цепях переменного тока элементы этих цепей могут обладать не только активным, но и реактивными сопротивлениями (ёмкостным и индуктивным).

Ёмкостное сопротивление x_cимют конденсаторы и другие элементы, обладающие ёмкостью.

3.5.– реактивное ёмкостное сопротивление.

Единица ёмкостного сопротивления в SI – ом.

В цепи с ёмкостью ток опережает по фазе напряжение на угол φ=π/2 (рис. 3.5 б, в).

Если в цепи постоянного тока при подключении конденсатора к источнику энергия от источника поступает в электрическое поле конденсатора и запасается в нём, то в цепи переменного тока происходит периодический обмен энергией между источником и электрическим полем конденсатора. Цепь с конденсатором активную мощность от источника не потребляет.

3. Цепь синусоидального тока с индуктивностью.

(для самостоятельного изучения)

Индуктивное сопротивление x_c имеют в цепях переменного тока элементы, обладающие индуктивностьюL. К таким элементам относятся, например катушки электрических аппаратов,обмотки электрических машин и трансформаторов и т.д.

На рис. 3.6,а изображена идеальная катушка индуктивности L, обладающая только одним параметром – индуктивностью.

Индуктивное сопротивление этой катушки определяется по формуле

 

3.6, где

– реактивное индуктивное сопротивление.

В цепи с индуктивностью напряжение опережает по фазе ток на угол φ=π/2 (рис.3.6,б,в).

Цепь с индуктивностью не потребляет активную мощность. В этой цепи происходит периодический обмен энергией между источником и магнитным полем индуктивности.

Лекция 6.

Тема 3.3. Нерзветвлённая цепь переменного тока.

Вопросы:

1. Общий случай последовательного соединения активного, индуктивного и ёмкостного сопротивлений.

2. Резонанс напряжений.

1. Общий случай последовательного соединения активного , индуктивного и ёмкостного сопротивлений.

Порядок построения векторной диаграммы (рис.3.7,в).

1. За исходный вектор берут вектор тока в цепи I и располагают его произвольно в плоскости рисунка.

2. На участке цепи (рис. 3.7,а) с активным сопротивлением (резисторе r) напряжение и ток совпадают по фазе, поэтому угол между векторами тока и напряжения на активном сопротивлении равен нулю.

3. На участке цепи с индуктивным сопротивлением (идеальной катушке индуктивности L) напряжение опережает по фазе ток на угол φ=π/2; с учётом того, что вектора вращаются против направления вращения часовой стрелки, вектор напряжения на индуктивности располагают перпендикулярно вектору тока I и вверх от него.

4. На участке цепи с ёмкостным сопротивлением (идеальном конденсаторе С) напряжение отстаёт по фазе от тока на угол φ=π/2, поэтому вектор напряжения располагают перпендикулярно вектору тока I и вниз от него.

5. В цепях переменного тока уравнения, записанные в соответствии с законами Кирхгофа, можно представит в алгебраической (для мгновенных значений тока и напряжения) или в векторной (для действующих или амплитудных значений тока и напряжения) формах.

В соответствии со вторым законом Кирхгофа

 

Сложив между собой вектора напряжений на активном, индуктивном и ёмкостном сопротивлениях , получают вектор напряжения на зажимах цепи.

Разделив вектора напряжений на вектор тока, получают треугольник сопротивлений (рис. 3.7,г).

Z – полное сопротивление цепи. 3.14.

Из треугольника сопротивлений следует

3.15.Умножив все вектора напряжений на вектор тока I, получают треугольник мощностей (рис. 3.7,д).

– полная мощность Единица полной мощности –вольт-ампер (ВА; VA).

3.16.- реактивная индуктивная мощность. .

– реактивная ёмкостная мощность. .

– реактивная мощность. .

Единицей реактивных мощностей является вольт-ампер реактивный (Вар; VAr).

— активная мощность. Единица активной мощности – ватт.

Из треугольника мощностей следует

3.16.2. Резонанс напряжений.

Резонанс напряжений возникает в цепи переменного тока с последовательным соединением активного, индуктивного и ёмкостного сопротивлений при условии равенства индуктивного и ёмкостного сопротивлений (.

Признаком резонанса является совпадение по фазе напряжения и тока в цепи (φ=0).

При резонансе z=r, поэтому ток в цепи будет иметь наибольшее значение, т.к. I=U/z=U/r.

При значениях реактивных сопротивлений больших, чем значение активного сопротивления, напряжения на индуктивном и ёмкостном сопротивлениях будут больше напряжения, приложенного к цепи, и могут достигать опасных значений.

Явление резонанса широко применяется в радиотехнике. В некоторых случаях возникновение резонанса, не предусмотренное нормальным режимом работы, может привести к нежелательным и опасным последствиям, связанным с пробоем изоляции реактивных элементов цепи из-за больших напряжений на них.

Тема 3.4:Разветвлённая цепь переменного тока.

1. Общий случай параллельного соединения активного, индуктивного и ёмкостного сопротивлений.

2. Резонанс токов.

1. Общий случай параллельного соединения активного, индуктивного и ёмкостного сопротивлений.

На рис. 3.8,б изображён треугольник тока для участка цепи с активным и индуктивным сопротивлениями. На этом участке напряжение опережает ток на угол φ; (для участка цепи с активным и ёмкостным сопротивлениями ток опережает по фазе напряжение на некоторый угол φ).

Как видно из рис 3.8,б,ток I, протекающий в участке, имеет две составляющие: активную и реактивную . При этом:

.Для цепи, изображённой на рис.3.8, а

 

 

 

 

Из треугольника токов следует

,где – активная составляющая тока I. $

— реактивная составляющая тока I.

Величина обратная полному сопротивлению цепи (или участка цепи) называется полной проводимостью (Y)

.Кроме полной проводимости в цепях переменного тока существуют так же активная проводимость (G,g) и реактивная проводимость (B,b).

Реактивная проводимости, в свою очередь, может быть индуктивной ( или ёмкостной (

В отличии от полной проводимости, активная и реактивные проводимости не являются величинами обратными активному и реактивным сопротивлениям.

Единица проводимостей в цепях переменного тока та же, что и в цепях постоянного тока, т.е. – сименс.

2. Резонанс токов.

Резонанс токов возникает в разветвлённой цепи переменного тока при равенстве индуктивной ( и ёмкостной проводимостей ( цепи.

Признаком резонанса является совпадение по фазе тока в неразветвлённой части цепи и напряжения, приложенного к цепи.

При резонансе токов полная проводимость цепи и ток в её неразветвлённой части будут наименьшими.

 

Лекция № 7.

Раздел 4. Трёхфазные цепи переменного тока.

Тема 4.1:Соединение обмоток трёхфазных источников электрической энергии.

Вопросы:

1. Генерирование трёхфазной ЭДС.

2. Соединение обмоток источника в звезду.

3. Соединение обмоток источника в треугольник.

1. Генерирование трёхфазной ЭДС.

Трёхфазная электрическая цепь – совокупность трёх цепей, соединённых друг с другом, в которых действуют три синусоидальные ЭДС одной и той же частоты, сдвинутые относительно друг друга по фазе и создаваемые общим источником энергии.

Источниками электрической энергии в трёхфазных цепях являются трёхфазные генераторы и трансформаторы.

У трёхфазного генератора на статоре располагают три обмотки, которые называются фазами генератора. Оси обмоток расположены между собой под углами, равными 2π/3 или 120⁰. На роторе располагают обмотку возбуждения, по которой пропускаю постоянный ток. Так же как и у однофазного генератора переменного тока, магнитная индукция в воздушном зазоре между статором и ротором распределяется по синусоидальному закону.

При вращении ротора магнитное поле, возбуждёное током обмотки возбуждения, индуктирует в каждой фазе генератора синусоидальные ЭДС, сдвинутые по фазе относительно друг друга на электрический угол, равный 2π/3 или 120⁰. Если число витков в фазах одинаково, то индуктированные в них ЭДС имеют равные амплитудные значения.

Система ЭДС (напряжений, токов) имеющая одинаковые амплитудные значения и одинаковый сдвиг фаз, называется симметричной.

2. Соединение обмоток источника в звезду.

 

Нейтральная (n или N) или нулевая (0) точки – место соединения фаз.

Фазное напряжение ( — напряжение между началом и концом фазы (между линейным и нейтральным проводами).

Линейное напряжение ( – напряжение между концами двух фаз (между линейными проводами).

Напряжение между двумя точками участка цепи равно разности потенциалов этих точек.

. 

Для действующих значений:

3.18. 

 

С учётом формул 3.18 строят векторную диаграмму линейных напряжений.

На рис. 3.11,б вектора линейных напряжений перенесены в плоскости рисунка параллельно самим себе из рис.3.11,а.

Из треугольника, образованного векторами следует: .

Аналогично и для других линейных напряжений: .

При симметричной системе фазных напряжений система линейных напряжений то же будет симметричной. В этом случае .

Тогда:

.3.19.3. Соединение обмоток источника в треугольник/

 

Как следует из определения линейного и фазного напряжений, при соединении фаз генератора треугольником фазные и линейные напряжения это по существу одни и те же напряжения, т.е.

3.20.

 

Лекция № 8.

Тема 4.2: Включение нагрузки в цепь трёхфазного тока.

Вопросы:

1. Трёх- и четырёхпроводные цепи.

2. Включение однофазных приёмников в трёхфазные цепи.

3. Симметричные и несимметричные трёхфазные приёмники.

4. Соотношения между линейными и фазными токами.

 

1. Трёх- и четырёхпроводные цепи.

 

 

Трёхфазные электрические цепи могут быть трёх- и четырёхпроводными

(рис. 4.5). В трёхпроводных цепях трёхфазные источники электроэнергии соединяют с приёмниками электроэнергии линейными проводами. Фазы источника могут быть соединены как, треугольником, так и звездой.

В четырёхпроводных цепях трёхфазный источник соединён с приёмниками четырьмя проводами (рис. 4.5, в): тремя линейными и одним нейтральным (нулевым). Фазы источника в четырёхпроводной цепи могут быть соединены только звездой.

2. Включение однофазных приёмников в трёхфазные цепи.

 

В трёхфазные цепи могут быть включены как трёхфазные так и однофазные приёмники. Однофазные приёмники присоединяют к разным линейным проводам. В результате такого соединения несколько однофазных приёмников образуют трёхфазный приёмник, фазы которого могут быть соединены звездой или треугольником (рис.4.6).

3. Симметричные и несимметричные трёхфазные приёмники.

Трёхфазные приёмники могут быть симметричными и несимметричными. Симметричным называют приёмник, у которого электрические параметры (R,L,C) во всех трёх фазах имеют одинаковые значения. Примером симметричного приёмника является трёхфазный электродвигатель. Примером несимметричного приёмника является сеть освещения, получающая питание от трёхфазного источника.

Симметричные приёмники могут получать питание от трёхфазной цепи.

Для несимметричных приёмников нужна четырёхпроводная цепь. Токи в фазах несимметричного приёмника имеют разные значения и по нейтральному проводу будет протекать ток . Отсутствие нейтрального провода при включении в трёхпроводную цепь несимметричных приёмников приводит к тому, что фазные напряжения у приёмника будут иметь разные значения. Такое изменение напряжения недопустимо; например, при осветительной нагрузке понижение напряжения на части ламп накаливания вызывает недостаточный их накал, а на других повышение напряжения приводит к перекалу и быстрому перегоранию ламп.

4. Соотношения между линейными и фазными токами.

Фазы приёмников также как и фазы источников могут соединяться между собой звездой (рис. 4.5, б, в) или треугольником (рис. 45.5,а).

Схемы соединения трёхфазных приёмников не зависят от схем соединения фаз источника. Основным условием, определяющим схему соединения приёмников, является соотношение между напряжением сети и номинальным напряжением приёмника. Приёмник должен включаться так, чтобы на зажимах однофазного приёмника или на выводах каждой фазы трёхфазного приёмника было напряжение, равное их номинальному фазному напряжению. Например, лампы освещения с номинальным напряжением 220 В включаются по схеме звезда с нейтральным проводом (рис. 4.6, а))при линейном напряжении в сети 380 В или по схеме треугольник (рис. 4.6, б) при линейном напряжении в сети 220В. Электродвигатель с номинальными напряжениями 220/380 В включается в сеть 220 В по схеме треугольник (Δ), а в сеть с напряжением 380 В по схеме звезда (Υ).

Линейным током называют ток, протекающий по линейному проводу.

Фазным током называют ток, протекающий по фазе.

Если фазы приёмника соединены звездой, то токи, протекающие в линейных проводах ( )и по фазам симметричного приёмника ( , при симметричной системе линейных напряжений являются, по существу, одними и теми же токами, т.е. можно считать, что при соединении фаз приёмника звездой

 

При соединении фаз приёмника треугольником линейные токи неравны фазным.

Для определения соотношения между линейными и фазными токами нужно построить векторные диаграммы этих токов (рис. 4.7).

У симметричного приёмника при симметричной системе линейных напряжений векторная диаграмма фазных токов представляет собой звезду векторов одинаковой длины, расположенных относительно друг друга под углами 120⁰

Векторную диаграмму линейных токов строят в соответствии с уравнениями, записанными в векторной форме по первому закону Кирхгофа:

для узла А на рис.4.5,а: ;

для узла В на рис. 4.5,а: ;

для узла С на рис. 4.5,а : .

В соответствии с записанными формулами определяют по правилу вычитания векторов положение векторов линейных токов на векторной диаграмме рис. 4.7).

Из треугольника, образованного векторами следует, что

.Так как при симметричном приёмнике и симметричной системе линейных напряжений , то, следовательно,

при соединении фаз симметричного приёмника треугольником и симметричной системе линейных напряжений линейный ток больше фазного в , т.е.

 

 

Лекция 9

Раздел 5. Электрические приборы и измерения.

Тема 5.1: Измерение тока и напряжения.

Вопросы:

1. Общие сведения об электрических измерениях.

2. Общие сведения об электроизмерительных приборах.

3. Измерение тока.

4. Измерение напряжения.

1. Общие сведения об электрических измерениях

Измерение – операция сравнения измеряемой физической величины с величиной такого же рода, принятой за единицу.

Средства измерения: меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи.

Меры – средства измерений, предназначенные для воспроизведения физической величины заданного размера (например, гиря 1 кг предназначена для воспроизведения массы 1 кг).

Эталоны – меры, предназначенные для хранения и воспроизводства единиц физических величин.

Измерительные приборы – средства измерений для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Методы измерений: метод непосредственной оценки и метод сравнения.

Прямые измерения — результат (измеряемую величину) получают непосредственно по показанию прибора.

При косвенных измерениях искомую величину находят вычислением, используя результаты прямых измерений вспомогательных величин. Например, мощность в электрической цепи постоянного тока можно вычислить по формуле P=UI, используя прямые измерения напряжения и тока.

Абсолютная погрешность измерения : △А = А_из – А; (А_из – измеренное значение величины; А – действительное значение величины). За действительное значение величины принимают её значение, измеренное образцовым прибором.

Относительная погрешность : δ = 100%.

2. Общие сведения об электроизмерительных приборах.

Классификация.

1. Приборы непосредственной оценки (электромеханические и цифровые).

2. Приборы сравнения.

В зависимости от назначения приборы делятся на рабочие и образцовые. Рабочие приборы предназначены для контроля за параметрами различных механизмов, устройств и систем; образцовые – для поверки и градуировки рабочих.

Точность прибора характеризуется приведённой погрешностью : γ = .

А_пр – верхний предел измерения по шкале прибора.

Наибольшую приведённую погрешность называют классом точности прибора. Чем меньше число, обозначающее класс точности, тем точнее прибор.

Условные обозначения на шкале прибора.

 

В приборах непосредственной оценки значение измеряемой величины определяют по шкале или по цифровому устройству. Приборы непосредственной оценки применяют в большинстве случаев, при рабочих измерениях. Недостатком этих приборов является сравнительно невысокая точность измерения.

В электромеханических приборах поворот оси, на которой укреплён указатель (стрелка), происходит под действием механической силы, которая возникает в результате протекания тока в измерительной цепи прибора.

Эти приборы находят широкое применение благодаря своей сравнительной простоте и небольшой стоимости.

Цифровые приборы измеряют значение непрерывно изменяющейся величины в отдельные (дискретные) моменты времени и представляют результат измерения в цифровой форме. Эти приборы имеют высокую точность, большое быстродействие, широкие пределы измерения, легко комплектуются с цифровыми вычислительными машинами. К недостаткам цифровых приборов следует отнести их сравнительную сложность и высокую стоимость.

В приборах сравнения точность измерения выше. Однако на получение результата измерения затрачивается значительно больше времени, чем при измерении приборами непосредственной оценки. Приборы сравнения используют, как правило, в лабораторных условиях.

Цена деления шкалы (постоянная С) прибора – число единиц измеряемой величины, приходящееся на одно деление шкалы.

Чувствительность прибора S – число делений шкалы, приходящееся на единицу измеряемой величины. S = 1/C.

Равномерная шкала – шкала, имеющая одинаковые расстояния между соседними делениями по всей своей длине.

3. Измерение тока.

 

Силу постоянного тока измеряют магнитоэлектрическими или электромагнитными амперметрами. Магнитоэлектрические амперметры по сравнению с электромагнитными имеют большую чувствительность и точность.

Амперметр включают последовательно с участком цепи, в котором измеряют ток. Для того что бы включение амперметра не приводило к значительному изменению тока в цепи, его сопротивление должно быть как можно меньшим.

В цепях переменного тока силу тока измеряют электромагнитными амперметрами.

Для расширения пределов измерения магнитоэлектрического амперметра используют шунт. Шунты бывают внутренние (находятся внутри корпуса прибора) и наружные. Шунт представляет собой калиброванное сопротивление. Схема включения амперметра с шунтом приведена на рис.51,б). Для расширения предела измерения амперметров переменного тока используют измерительные трансформаторы тока (ИТТ) – рис.5.2. Л1, Л2 – зажимы первичной обмотки ИТТ; И1, И2 – зажимы вторичной обмотки ИТТ. Для того, что бы исключить поражение током, контакт выключателя S при разомкнутых зажимах И1, И2 должен быть замкнут (вторичная обмотка замкнута накоротко).

 

4. Измерение напряжения.

Напряжение постоянного тока измеряют магнитоэлектрическими или электромагнитными вольтметрами. Вольтметры включают параллельно тому участку цепи, на котором измеряют напряжение. Для того что бы включение вольтметра не приводило к существенному уменьшению тока, протекающего по участку цепи, напряжение на котором измеряют, сопротивление вольтметра должно быть как можно большим. С этой целью в измерительную цепь вольтметра вводят добавочное сопротивление R_доб (рис. 5.2).

В цепях переменного тока напряжение измеряют электромагнитными вольтметрами.

Лекция 10.

Тема 5.2: Измерение энергии, мощности, сопротивления.

Вопросы:

1. Измерение мощности и энергии.

2. Измерение сопротивления.

1. Измерение мощности и энергии.

Мощность в цепях постоянного тока измеряют электродинамическими и ферродинамическими ваттметрами. Эти ваттметры (рис. 5.4, а) имеют неподвижную катушку 1 и подвижную катушку 2, находящуюся на одной оси со стрелкой, пружины 3, подводящие ток к подвижной катушке и создающие противодействующий момент. У электродинамических ваттметров подвижная часть лёгкая, поэтому она подвержена вибрациям и ударным сотрясениям, в силу чего их применяют только в лабораториях.

У ферродинамических ваттметров обе катушки распложены на стальном магнитопроводе. Они имеют более массивную подвижную часть и поэтому мене подвержены вибрациям и ударным сотрясениям. Их применяют при измерении мощности на объектах, где могут быть вибрации и ударные сотрясения, например на судах.

Схема включения ваттметра показана на рис. 5.4, б. Зажимы ваттметра, обозначенные звёздочками, называются генераторными. К ним присоединяют провода, идущие от источника.

В цепях однофазного тока активнуюмощность можно измерить электродинамическими, ферродинамическими и индукционными ваттметрами.

Индукционный ваттметр в отличии от индукционного счётчика не имеет постоянного магнита 2 и счётного механизма, который у счётчика предназначен для подсчёта числа оборотов алюминиевого диска 3.

При протекании переменного тока по катушкам электромагнитов 1 и 4 диск 3 поворачивается, пружина, соединяющая ось диска с неподвижной частью прибора (на рис.5.5 не показана) , закручивается и при одинаковых значениях вращающего и противодействующего моментов поворот диска прекращается. Стрелка, укреплённая на одной оси с диском (на рис.5.5 не показана) устанавливается на отметке шкалы, соответствующей потребляемой активной мощности. Чем больше измеряемая ваттметром мощность, тем на больший угол повернётся диск 3.

Схема включения индукционного ваттметра аналогична схеме включения электродинамического ваттметра. Индукционные ваттметры находят широкое применение на судах.

В цепях трёхфазного тока активную мощность измеряют двухэлементными ферродинамическими и индукционными ваттметрами.

Активную энергию в однофазных цепях измеряют одноэлементными, а в трёхфазных цепях — двухэлементными индукционными счётчиками. Их устройство показано на рис.5.5.определённое число оборотов диска, подсчитанное счётным механизмом, соответствует значению активной энергии измеряемой счётчиком. Чем больше потребляемая мощность, тем с большей скоростью вращается диск 3.

2 Измерение сопротивления.

Омметр – прибор непосредственной оценки, предназначенный для измерения сопротивления. Имеет источник питания – аккумуляторную батарею и измеритель И. Устройство измерителя подобно устройству магнитоэлектрического амперметра. При постоянном значении напряжения аккумулятора U ток, протекающий через измеритель пропорционален измеряемому сопротивлению Rх, поэтому шкала измерителя проградуирована в единицах сопротивления — омах. Сопротивление Rд предназначено для предохранения омметра от перегрузок и для установки стрелки прибора на нулевое деление шкалы. Для этого перед началом каждого измерения нужно замкнуть контакт выключателя К и с помощью Rд установить стрелку омметра на нулевое деление шкалы.

Для измерения сопротивления изоляции электрооборудования предназначены мегаомметры. Они бывают индукторные и безиндукторные. В индукторных мегаомметрах источником тока является индуктор (небольшой генератор, у которого вместо обмотки возбуждения имеется постоянный магнит). Индуктор приводится в действие путём вращения ручки, находящейся на корпусе прибора. У безиндукторных мегаомметров источником тока является аккумуляторная батарея.

Мегаомметр имеет две шкалы и переключатель. Одна из шкал градуирована в килоомах, а другая – в мегаомах. Мегаомметры изготавливают на разные значения напряжений (от 100 до 2000 В). Чем больше номинальное значение напряжения электрооборудования, сопротивление изоляции которого нужно измерить, тем большее напряжение должен иметь мегаомметр.

Для исключения поражения электрическим током нужно перед измерением сопротивления изоляции снять питание с электрооборудования, сопротивление изоляции которого измеряют

Более точные измерения дают приборы сравнения, к которым относится мост постоянного тока.

Лекция 11.

Тема 6.1: Устройство и принцип действия трансформаторов.

Вопросы:

1. Назначение трансформаторов и их применение.

2. Устройство трансформатора.

3. Принцип действия трансформатора.

4. Режимы работы трансформатора.

1. Назначение трансформаторов и их применение.

Трансформатор – статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток той же частоты, но другого напряжения. Повышающие трансформаторы увеличивают напряжение, понижающие – уменьшают напряжение.

Трансформаторы применяют в линиях электропередачи, в технике связи, в автоматике, измерительной технике и других областях.

В соответствии с назначением различают

— силовые трансформаторы для питания электрических двигателей и осветительных сетей;

— специальные трансформаторы для питания сварочных аппаратов и других потребителей особого назначения;

— измерительные трансформаторы для подключения измерительных приборов.

По числу фаз трансформаторы делятся на однофазные и трёхфазные.

В зависимости от числа обмоток трансформаторы бывают двух — и многообмоточные

Трансформатор – простой, надёжный и экономичный электрический аппарат. Его КПД достигает 99%. Современные трансформаторы рассчитываются таким образом, чтобы максимум КПД достигался при нагрузке , равной примерно половине номинального значения.

2 Устройство трансформатора.

Трансформатор представляет собой замкнутый магнитопровод, на котором расположены две или несколько обмоток. В маломощных высокочастотных трансформаторах, например в радиоаппаратуре, применяют трансформаторы без магнитопровода (воздушные).

Обмотка трансформатора, к которой подводится напряжение питающей сети, называют первичной, а обмотку, к которой подсоединяется нагрузка – вторичной. На магнитопроводе может быть размещено несколько вторичных обмоток с разным числом витков, что позволяет получить различные по значению вторичные напряжения.

В тех случаях, когда требуется плавно изменять вторичное напряжение, применяют скользящий контакт для изменения числа витков вторичной обмотки. Это используется в автотрансформаторах, рассчитанных на регулирование напряжения в небольших пределах.

3 Принцип действия трансформатора

Принцип действия трансформатора основан на использовании явления взаимной индукции.

Ток , протекающий по первичной обмотке , возбуждает магнитный поток, большая часть которого Ф замыкается по магнитопроводу и сцепляется с витками первичной и вторичной обмоток. Этот поток называют основным. Незначительная часть основного потока сцепляется только с витками первичной обмотки. Эта часть потока называется потоком рассеяния. Основной поток индуктирует в первичной обмотке ЭДС самоиндукции , а во вторичной обмотке — ЭДС взаимной индукции . Если ко вторичной обмотке подключить нагрузку Z_н, то под действием ЭДС

Отношение действующего значения ЭДС обмотки высшего напряжения к действующему значению ЭДС обмотки низшего напряжения такое же как и отношение числа витков этих обмоток. Эти отношения называют коэффициентом трансформации k. Для понижающего трансформатора

k = Е₁/Е₂ = W₁/W₂>1.

4 Режимы работы трансформатора.

Холостой ход. Холостым ходом трансформатора называется такой режим его работы, при котором первичная обмотка подключена к сети переменного тока, а вторичная обмотка разомкнута.

Работа под нагрузкой. Трансформатор работает под нагрузкой тогда, когда первичная обмотке подключена к сети, а ко вторичной обмотке подключены потребители электрической энергии.

Режим короткого замыкания. В этом режиме первичная обмотка подключена к сети, а вторичная обмотка замкнута наоротко.причинами возникновения короткого замыкания могут быть неисправности у потребителя подключённого ко вторичной обмотке или повреждение изоляции этой обмотки. При коротком замыкании токи в первичной и вторичной обмотках достигают величин, превышающих номинальные токи в 10 – 20 и более ораз. Такое чрезмерное увеличение тока представляет опасность для трансформатора. Вследствие этого всегда предусматривается защита, предназначенная отключать от сети его первичную обмотку по прошествии некоторого небольшого промежутка времени после возникновения короткого замыкания.

Тема 7.1: Электрические машины постоянного тока.

Вопросы:

1. Устройство.

2. Классификация машин по способу возбуждения.

1. Устройство.

Станина (индуктор) – неподвижная часть машины; якорь – вращающаяся часть машины.

В зависимости от назначения электрические машины делятся на генераторы и электродвигатели.

Одна и та же машина может работать как генератором, так и электродвигателем.

Обмотка возбуждения образована соединением между собой катушек, расположенных на главных полюсах. Предназначена для создания в машине магнитного поля.

Обмотка якоря образована секциями (катушками), уложенными в пазах сердечника якоря. Начало и конец каждой секции припаяны к коллекторным пластинам. В результате такого соединения обмотка якоря получается замкнутой.

Коллектор имеет цилиндрическую поверхность, образованную медными изолированными друг от друга пластинами.

Щётки (угольные или медно-графические) устанавливают на коллектор. Делят обмотку якоря на параллельные ветви. Предназначены для соединения обмотки якоря с внешними устройствами.

Между главными полюсами на станину устанавливают дополнительные полюсы. Обычно их столько же сколько главных полюсов, но у машин небольшой мощности может быть один дополнительный полюс.

2. Классификация машин по способу соединении обмоток.

 

Лекция 12.

Тема 7.1: Электрические машины постоянного тока.

Генераторы и электродвигатели постоянного тока

Вопросы:

1. Генераторы постоянного тока.

2. Электродвигатели постоянного тока.

1. Генераторы постоянного тока.

Генераторы предназначены для производства электрической энергии постоянного тока.

Принцип работы генератора основан на использовании явления электромагнитной индукции и состоит в следующем. Ток, протекающий по обмотке возбуждения возбуждает в генераторе магнитный поток. Первичный двигатель (дизель или турбина) вращает якорь и в его обмотке наводится ЭДС. Если через коллектор и щётки к обмотке якоря присоединить потребители тока, то в образовавшейся замкнутой цепи потечёт ток, т.е. потребители начнут получать электрическую энергию от генератора.

— ток якоря(в генераторе независимого возбуждения ток якоря одновременно является и током нагрузки) — ток возбуждения;

— нагрузка (потребитель);

Е – ЭДС, индуктированная в обмотке якоря.

ЭДС обмотки якоря (ЭДС генератора) определяется по формуле:

.E = kФω7.1

где: k – постоянная машины, которая зависит от её конструктивных характеристик;

Ф – магнитный поток в машине;

ω – угловая скорость якоря.

Для контура, в который входят обмотка якоря и нагрузка, уравнение, записанное в соответствии со вторым законом Кирхгофа, имеет вид:

7.2,где – — суммарное сопротивление в цепи обмотки якоря; — напряжение генератора;

из уравнения 7.2 следует:

.7.3Из формулы 7.3 следует, что если при постоянном значении ЭДС Е ток нагрузки генератора изменится, то и напряжение генератора тоже изменится.

Зависимость напряжения генератора от тока нагрузки при постоянном значении частоты вращения якоря называется внешней характеристикой генератора.

Для стабилизации напряжения судовых генераторов применяют автоматические регуляторы напряжения (АРН), которые изменяют ток возбуждения при изменении тока нагрузки. При выходе из строя АРН стаби лизировать напряжение генератора можно вручную.

2. Двигатели постоянного тока.

Принцип действия электродвигателя основан на использовании электромагнитных сил: при подключении двигателя к сети постоянного тока по его обмоткам (якоря и возбуждения) протекают токи (ток якоря возбуждает в машине магнитный поток Ф. Взаимодействие этого потока с проводниками обмотки якоря, по которым протекает ток , приводит к возникновению электромагнитного момента М, значение которого можно определить по формуле

7.4.

Под действием этого момента якорь двигателя начнёт вращаться. В обмотке якоря будет индуктироваться ЭДС, направление которой противоположно направлению тока якоря (рис.7.5). эту ЭДС называют противо- ЭДС.

Для контура, в который входит источник с напряжением U и обмотка якоря, уравнение, записанное в соответствии со вторым законом Кирхгофа, имеет следующий вид:

, откуда:

7.5Из формулы 7.5.следует

.В момент пуска двигателя ω = 0, поэтому пусковой ток двигателя будет иметь наибольшее значение

7.6.У двигателей, мощность которых сравнима с мощностью судовой электростанции, пусковой ток может превосходить номинальное значение в 50 и более раз. Для того чтобы при пуске таких двигателей не происходил провал напряжения в судовых сетях, пусковой ток двигателя нужно уменьшить. Сделать это можно двумя способами:

— уменьшением напряжения, подведённого к двигателю;

— введением пускового сопротивления в цепь обмотки якоря.

Из формулы 7.5 так же следует

7.7.Из формулы 7.7 следует, что регулировать скорость двигателя можно следующим образом:

— изменением напряжения;

— введением сопротивления в цепь обмотки якоря;

— введением сопротивления в цепь обмотки возбуждения.

Для изменения направления вращения якоря (реверсирования двигателя) нужно изменить направление тока в одной из обмоток (или в обмотке якоря или в обмотке возбуждения).

Тема 7.2. Электрические машины переменного тока.

Асинхронные машины

Вопросы:

1. Устройство трёхфазного асинхронного двигателя.

2. Принцип действия трёхфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

3. Пуск, регулирование скорости и реверс трёхфазного асинхронного двигателя.

Асинхронные машины могут работать в режиме генератора и электродвигателя. На судах применяют только асинхронные двигатели, а асинхронные генераторы не применяют.

1. Устройство трёхфазного асинхронного двигателя.

Статор – неподвижная часть. В пазы сердечника статора укладывают трёхфазную обмотку. Оси фаз расположены под углом 120⁰ относительно друг друга. Фазы соединяют между собой звездой или треугольником. На внешней стороне корпуса статора находится коробка выводов. Если фазы соединяют внутри статора, то в коробке выводов находятся три вывода от обмотки статора. Если в коробке выводов находятся выводы от начала и концов каждой фазы, то соединение фаз нужно производить в коробке.

 

С1, С2, С3 – начала фаз; С4, С5, С6 – концы фаз.

Ротор – вращающаяся часть двигателя.

В короткозамкнутом роторе в пазы сердечника укладывают алюминиевые, медные или латунные неизолированные стержни. С торцов стержни соединяют между собой кольцами из тех же материалов, что и стержни. Таким образом получают короткозамкнутую обмотку.

В фазном роторе в пазы сердечника укладывают трёхфазную обмотку. Выводы от фаз обмотки присоединяют к медным кольцам, расположенным на валу двигателя. Через кольца и угольные щётки обмотку ротора соединяют с внешними устройствами (пусковыми и регулировочными реостатами, сопротивлениями, которые предназначеы для изменения характеристик двигателя).

По сравнению с двигателями с фазным ротором короткозамкнутые двигатели имеют более простую конструкцию и более надёжны в эксплуатации. По этим причинам они находят более широке применении на судах.

2. Принцип действия трёхфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.

Если обмотку статора присоединить к трёхфазному источнику тока, то в статоре образуется магнитное поле, вращающееся вокруг оси статора. В зависимости от того какая фаза обмотки присоединена к той или иной фазы источника, поле будет вращаться по- или против часовой стрелки. Вращающееся поле пересекает проводники обмотки роторы и наводит в них ЭДС, под действием которых в короткозамкнутой обмотке потечёт ток. Возникнут электромагнитные силы, действующие на проводники обмотки ротора. Силы создадут момент, под действием которого ротор начнёт вращаться. Скорость вращения ротора всегда меньше скорости вращения поля статора, т.к. при равенстве скоростей вращающееся поле не будет пересекать проводники обмотки ротора и электромагнитного момента не будет. Ротор как бы скользит вдоль поля статора.

Относительную разность скоростей поля статора и ротора называют скольжением (s). Скольжение зависит от нагрузки двигателя: чем она больше, том и скольжение больше.

s = (ω₁ – ω)/ ω₁ или s = (n₁-n)/ n₁ 7.8

ω₁; n₁ – угловая скорость и скорость вращения в об/мин магнитного поля статора (синхронная скорость АД);

ω; n – угловая скорость и скорость вращения ротора в об/мин.

7.9Из формулы 7.8 и 7.9 следует

7.10

3. Пуск, регулирование скорости и реверс трёхфазного асинхронного двигателя.

В момент пуска ток, потребляемый двигателем из сети будет в несколько раз больше номинального. При этом, чем больше номинальная мощность двигателя, тем больше его пусковой ток. Кратковременный пусковой ток не опасен для самого двигателя, но может привести к значительному провалу напряжения в сети и к сбою в работе других потребителей, получающих питание из этой сети.

Двигатели, номинальная мощность которых не велика по сравнению с мощностью питающей сети, можно пускать без ограничения пускового тока, подключая обмотку статора непосредственно с помощью пускателя или выключателем. Такой способ пуска называют прямым.

На судах, как правило, используют прямой способ пуска.

Скорость асинхронного двигателя зависит от частоты тока питающей сети, числа пар полюсов двигателя и от нагрузки на нём (см. формулы 7.10).

Большинство судовых асинхронных двигателей приводят в действие механизмы, у которых не требуется регулирования скорости. Однако некоторые механизмы, например такие, как шпили, брашпили или грузовые лебёдки работают при разных скоростях вращения. Для привода таких механизмов используют двух- или трёхскоростные двигатели с короткозамкнутым ротором, конструкция которых позволяет менять у них число пар полюсов.

Регулирование скорости двигателей с фазным ротором производится , как правило с помощью регулировочного реостата, вводимого в фазную обмотку ротора.

Для изменения направления вращения ротора достаточно изменить порядок подключения двух любых фаз обмотки статора к фазам питающей сети.

 

Лекция 13.

Тема 7.2 Электрические машины переменного тока.

Синхронные машины.

Вопросы

1. Устройство синхронных генераторов.

2. Принцип действия синхронных генераторов.:

Синхронными машинами могут быть генераторы и электродвигатели переменного тока. Синхронные электродвигатели на судах не применяют. В качестве источников переменного тока на судах используют однофазные и трёхфазные синхронные генераторы.

Устройство синхронных генераторов.

Неподвижная часть генератора – статор.

 

В пазах сердечника статора уложена однофазная обмотка у однофазных генераторов и трёхфазная обмотка – у трёхфазных генераторов. Оси фаз трёхфазной обмотки расположены под углом 120⁰ относительно друг друга. Фазы трёхфазного генератора могут быть соединены между собой звездой или треугольником.

Роторы генераторов могут быть с явновыраженными и неявновыраженными полюсами. Явнополюсный ротор имеют генераторы, частота вращения которых не больше 1500 об/мин. На роторе располагается обмотка возбуждения, которая присоединена к двум медным кольам, расположенным на валу. Через кольца и щётки обмотка возбуждения соединятся с небольшим генератором постоянного тока (возбудителем), находящемся на валу синхронного генератора. У большинства современных генераторов обмотка возбуждения получает питание от обмотки статора через трансформатор и выпрямитель. Такие генераторы называют генераторами с самовозбуждением.

Принцип действия синхронных генераторов.

Постоянный ток, протекающий по обмотке возбуждения, возбуждает постоянный магнитны поток. Ротор генератора вращается каким-либо двигателем (на судах смешенного плавания – это дизель). Вращающийся вместе с ротором магнитный поток пересекает проводники обмотки статора и индуктирует в них ЭДС. Конструция генератора такова, что магнитная индукция в воздушном зазое между статорос и ротором распределяется по синусоидальному закону: в воздушном зазое, находящемся над серидиной полюса она имеет максимальное значение, а в зазоре, находящемся посредине между разноимёнными полюсами, воздушная индукция равна нулю. В результате синусоидального распределения магнитной индукции ЭДС, которая индуктируется в обмотке статора, то же будет синусоидальной.

В трёхфазных синхронных генераторах из-за того, что фазы обмотки статора расположены под углом 120⁰, будет индуктироваться трёхфазная система ЭДС.

Если обмотку статора соединить с потребителями электрической энергии, то под действие ЭДС, индуктированной в обмотке статора, потечёт ток, т.е. генератор будет отдавать электрическую энергию потребителям.

Судовые синхронные генераторы работают с постоянной скоростью вращения. при этом их напряжение зависит от следующих величин: тока нагрузки, коэффициента мощности (cosφ) и тока возбуждения.

Зависимость напряжения генератора от тока нагрузки при постоянном значении скорости вращения ротора и тока возбуждения называется внешней характеристикой генератора. В отличии от генератора постоянного тока, имеющего одну внешнею характеристику, синхронный генератор имеет семейство таких характеристик, полученное для различных значений коэффициента мощности.

Как следует из графика внешней характеристики, увеличение тока нагрузки приводит к уменьшению напряжения при активной и активно-индуктивной нагрузке. При одном и том же токе нагрузки напряжение генератора будет тем меньше, чем меньше его коэффициент мощности.

Лекция 14.

Тема 8.1. Электронные приборы.

Вопросы:

1. Электронная эмиссия.

2. Двухэлектродная лампа.

3. Трёхэлектродная лампа.

К электронным приборам относятся электронные лампы. В связи с развитием полупроводниковой техники масштабы применения электронных ламп ограничены. Однако при больших частотах и мощностях электронные лампы ещё находят широкое применение.

Принцип действия электронных приборов основан на явлении электронной эмиссии.

Электронная эмиссия процесс выхода электронов из твёрдых или жидких тел в вакуум или газ.

1. Виды электронной эмиссии.

2. Термоэлектронная: возникает в результате нагревания металла.

3. Фотоэлектронная: возникает в результате облучения поверхности металла лучистой энергией.

4. Вторичная: возникает при облучении (бомбардировке) поверхности металла потоком электронов.

5. Электростатическая (автоэлектронная) возникает под действием сильного ускоряющего электрического поля.

2. Двухэлектродные лампы.

 

Диод – двухэлектродная лампа.

Электроды лампы: А – анод; К – катод. Баллон лампы стеклянный или металический. В нём создают высокий вакуум (10^-5 – 10^-7 мм.рт.ст). Катод нагревают до рабочей температуры, при которой он испускает со своей поверхности электроны.

Принцип работы: если на анод подать более высокий потенциал (+), чем на катод (-), то электроны, от катода устремятся к аноду и во внешней цепи возникнет анодный ток I_а. при обратной полярности напряжения между катодом и анодом электрическое поле в баллоне будет препятствовать движению электронов и они будут оставаться у поверхности анода. Анодный ток во внешней цепи протекать не будет.

Таким образом диод обладает свойством односторонней проводимости тока. Это свойство определяет основное назначение диода – выпрямление переменного тока.

Двухэлектродные лампы, применяемые для выпрямления переменного тока, называют кенотронами.

3. Трёхэлектродные лампы.

Трёхэлектродная лампа, у которой между катодом и анодом расположен третий электрод – сетка называется триодом.

Сетка предназначена для управления анодным током, поэтому её называют управляющей сеткой. Если к сетке подвести отрицательный относительно катода потенциал, то в пространстве сетка – катод образуется тормозящее электрическое поле, при этом не все электроны, эмитируемые катодом , достигнут анода. Изменяя отрицательный потенциал, можно изменять значение анодного тока вплоть до его исчезновения. Отрицательное напряжение на управляющей сетке, при котором анодный ток равен нулю, называется напряжением запирания лампы.

При положительном потенциале управляющей сетки в пространстве сетка – катод создаётся ускоряющее электрическое поле. Основная масса электронов под действием ускоряющего поля сетки и анода попадают на анод, создавая анодный ток. Часть электронов устремляется к сетке, образуя сеточный ток.

При увеличении положительного потенциала сетки анодный и сеточный ток будут возрастать. При некотором напряжении на аноде – напряжении насыщения анодный ток достигнет максимального значения – ток насыщения.

Поскольку управляющая сетка расположена ближе к катоду, чем анод, то её влияние на изменение анодного тока значительно больше. Следовательно, для получения одинакового изменения анодного тока сеточное напряжение нужно изменить на меньшую величину, чем анодное.

Триоды могут быть использованы в различных радиоэлектронных устройствах для усиления и генерирования.

 

Лекция 15.

Тема 8.2. Полупроводниковые приборы.

Вопросы:

1. Электропроводность полупроводников.

2. Электронно-дырочный переход

3. Полупроводниковые диоды.

4. Транзисторы.

5. Тиристоры

1. Электропроводность полупроводников.

Полупроводники по своей электропроводности занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Электропроводность зависит от количества свободных носителей зарядов в единице объёма вещества: чем их больше, тем лучше электропроводность.

В проводниках носителями зарядов являются электроны или ионы, а в полупроводниках – электроны и дырки. Дырки представляют собой места, покинутые электронами в, так называемой, ковалентной связи между атомами кристаллической решётки полупроводника. Дырки ведут себя как положительные заряды, имеющие такое же числовое значение, как и заряд электрона.

Электропроводность полупроводника, обусловленная наличием в нём свободных электронов, называется электронной, а наличием дырок – дырочной.

Для изготовления полупроводниковых приборов широко используют германий Ge и кремний Si. При внесении в химически чистый полупроводник некоторых элементов количество свободных носителей электрических зарядов в нём увеличивается и полупроводник приобретает ту или иную электропроводность. Например, при внесении в полупроводник сурьмы Sb или мышьяка As увеличивается количество свободных электронов, и полупроводник приобретает электронную электропроводность или электропроводность n–типа. При внесении индия In или алюминия Al увеличивается количество дырок; их становится в полупроводнике больше, чем свободных электронов. В этом случае полупроводник приобретает дырочную электропроводность или электропроводность p-типа.

2. Электронно-дырочный переход.

Небольшая область по обе стороны границы двух полупроводников с различными типами электропроводности называется электронно-дырочным или p-n переходом.

Прямое напряжение: плюс источника присоединён к той части полупроводника, которая имеет электропроводность p-типа, а минус – к той части полупроводника, которая имеет электропроводность n – типа. При прямом напряжении ширина p-n перехода и его сопротивление становятся меньше, чем они были при отсутствии напряжения на переходе. Падение напряжения на переходе от протекающего через него тока имеют небольшое значение. Ток, протекающий через p-n переход при прямом напряжении, называют прямым током .

Обратное напряжение: плюс источника приложен к полупроводнику n-типа, а минус – к полупроводнику p-типа. При обратном напряжении сопротивление перехода по сравнению с тем сопротивлением, которое он имел при прямом напряжении, становится очень большим. Обратный ток становится настолько маленьким по сравнению с прямым, что им можно пренебречь и считать, что он через p-n переход не протекает.

Электронно-дырочный переход обладает электрической ёмкостью. Ёмкость p-n перехода при обратном напряжении называют барьерной. Изменение обратного напряжения на переходе приводит к изменению барьерной ёмкости.

На свойствах p-n перехода основан принцип действия большинства полупроводниковых приборов.

3. Полупроводниковые диоды.

Диод представляет собой двухслойную структуру, т.е. имеет две области с различными типами электропроводности. Электрод (вывод) присоединённый к n-области называют катодом, а присоединённый к p-области – анодом.

В зависимости от технологии изготовления диоды могут выполнять различные функции. Этими функциями могут быть: выпрямление переменного тока, стабилизация напряжения, функции, присущие конденсаторам.

 

Диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока, называют вентильными или выпрямительными. Условное обозначение выпрямительного диода дано на рис. 8.4 (анод – слева; катод – справа).Их принцип действия основан на использовании свойства p-n перехода пропускать ток в одном направлении, т.е., если к аноду приложить более высокий потенциал, чем к катоду, то диод буде пропускать ток. В этом случае говорят, что диод открыт. Если более высокий потенциал будет приложен к катоду, то диод будет закрыт, т.е. не будет пропускать ток.

 

 

Диод VD открыт только в одну половину периода, когда потенциал его анода выше, чем потенциал катода. Во вторую половину периода диод закрыт.

Стабилитрон – диод, предназначенный для стабилизации напряжения. Он включается на обратное напряжение. Если обратный ток, проходящий через стабилитрон, будет изменяться в определённых пределах (от , то напряжение на стабилитроне будет практически иметь постоянное значение. Стабилитрон включают параллельно нагрузке, на которой нужно стабилизировать напряжение.

Варикап (конденсатор переменной ёмкости) – диод принцип действия которого основан на использовании барьерной ёмкости p-n перехода. Увеличение обратного напряжения приведёт к уменьшению ёмкости варикапа и наоборот.

4. Транзисторы.

Биполярные транзисторы (рис 8.5,а,б)

У биполярных транзисторов два вида носителей зарядов: электроны и дырки.

Биполярный транзистор имеет три области с электропроводностью типа p-n-p (рис. 8.7,а) или с электропроводностью типа n-p-n (рис. 8.7,б).

э – эмиттер; к – коллектор; б – база.

Эмиттерный p-n переход – переход между эмиттером и базой;

Коллекторный p-n переход – переход между коллектором и базой.

 

 

Если к эмиттерному переходу приложить прямое напряжение, а к коллекторному — обратное, то в электродах, к которым присоединена внешняя цепь, потекут токи: эмиттера коллектора и базы .

В соответствии с первым законом Кирхгофа

 

Ток коллектора значительно больше тока базы, поэтому можно считать, что

 

При изменении напряжения между эмиттером и базой будут изменяться все токи. Таким образом, путём изменения напряжения между эмиттером и базой можно управлять током коллектора.

При обратном напряжении на эмиттерном переходе ток коллектора протекать не будет.

Биполярные транзисторы широко применяются в различных типах усилителей, генераторов, логических и импульсных устройствах.

Полевые транзисторы (рис. 8.7,в, г, д).

У полевых транзисторов один вид носителя зарядов – электроны или дырки, поэтому их называют так же униполярными. Носители зарядов в полевых транзисторах проходят через часть полупроводника, называемую каналом, поэтому полевые транзисторы называют так же канальными

Электроды полевых транзисторов: исток И, сток С и затвор З.

Виды полевых транзисторов:

1. С управляющим p-n переходом (рис. 8.7,в);

2. С изолированным затвором:

а)с встроенным каналом (рис. 8.7,г);

б) с индуцированным каналом (рис. 8.7,д).

. Во внешней цепи протекает ток стока. Управлять током стока (изменять его значение) можно путём изменения напряжения на затворе.

При изменении напряжения на затворе транзистора с управляющим переходом изменяется поперечное сечении е канала, в результате чего количество носителей, проходящих через канал в единицу времени тоже изменяется. Изменяется и ток стока.

При изменении напряжения на затворе транзистора с изолированным затвором изменяется концентрация носителей в канале, что приводит к изменению тока стока.

 

К достоинствам полевых транзисторов относятся их высокая устойчивость к температурным и радиоактивным воздействиям и высокая плотность расположения элементов при использовании приборов в интегральных схемах.

Полевые транзисторы применяют в схемах усилителей, генераторов, переключателей, в цифровых и логических схемах.

5. Тиристоры.

Тиристор представляет собой полупроводниковый прибор многослойной структуры, имеющий три и более p-n переходов. Иммет три электрода: анод (а), катод (к) и управляющий электрод (у).

Открытие тиристора происходит, если на его анод подан более высокий потенциал, чем на катод и подан импульса управляющего тока через управляющий электрод. Чем больше импульс тока, тем при меньшем напряжении откроется тиристор.

Тиристор закроется, если на анод будет подан отрицательный по отношению к катоду потенциал или если ток, протекающий через тиристор, уменьшится до некоторого значения, называемого током удержания.

Тиристоры применяют в управляемых выпрямителях, т.е. в тех выпрямителях, в которых можно управлять (изменять) выпрямленным напряжением.

Тема 8.3. Электронные усилители.

Вопросы:

1. Принцип работы усилителя.

2. Классификация усилителей.

3. Основные технические характеристики усилителей.

В различных электронных устройствах часто возникает необходимость в усилении электрических сигналов (напряжения, тока или мощности). Для решения этой задачи используют электронные усилители.

1. Принцип работы усилителя.

 

 

Входное напряжение, которое нужно усилить , подаётся от источника колебаний ИК на участок база-эмиттер. На базу подано так же напряжение от источника , которое является прямым напряжением для эмиттерного перехода.

Цепь коллектора (выходная цепь)питается от источника . Для получения усиленного выходного напряжения в эту цепь включена нагрузка . работа усилительного каскада с транзистором происходит следующим образом. Напряжение источника между сопротивлением нагрузки и внутренним сопротивлением транзистора.

Если во входную цепь включается источник колебаний, то при изменении его напряжения изменяется ток эмиттера. Изменения тока коллектора (он является выходным током)почти равны изменениям тока эмиттера и во много раз больше изменений тока базы, являющегося входным током. Поэтому в рассматриваемой схеме получается значительное усиление тока и очень большое усиление мощности. Усиленная мощность является частью мощности, затрачиваемой источником .

Рассмотрим работу усилительного каскада на числовом примере. Пусть питающие напряжения равны и , сопртивление резистора нагрузки и сопротивление транзистора также равно 4 кОм. Напряжение разделится пополам и напряжения на и на внутреннем сопротивлении транзистора будут по 6 В.

Если от источника колебаний на вход поступает переменное напряжение с амплитудой 0,1 В, то максимальное то максимальное напряжение на участке база – эмиттер при положительной полуволне становиться равным 0,3 В. Предположим, что под влиянием этого напряжения ток эмиттера возрастёт до 2,5 мА. Таким же практически станет и ток коллектора. Он создаст на резисторе нагрузки падение напряжения 2,5∙4 = 10 В, а падение напряжения на внутреннем сопротивлении транзистора уменьшится до 12-10=2 В. Через полпериода, когда источник колебаний даст напряжение минус 0,1 В, произойдёт обратное явление. Минимальное напряжение база – эмиттер станет равным 0,2-0,1=0,1 В. Токи эмиттера и коллектора уменьшаться до 0,5 мА. На резисторе падение напряжения уменьшится до 0,5∙4=2 В, а на внутреннем сопротивлении транзистора оно возрастёт до 12-2=10 В. Таким образом, подача на вход транзистора переменного напряжения с амплитудой 0,1 В вызывает изменение напряжения на резисторе нагрузки и на транзисторе на 4 В в ту и другую сторону (от 10 до 2В). Следовательно, выходное напряжение имеет амплитуду колебаний 4 В, т.е. оно в 40 раз больше входного напряжения.

2. Классификация усилителей.

1. По роду усилительных элементов: ламповые и транзисторные.

2. По роду усиливаемых сигналов: усилители напряжения, тока и мощности.

3. По числу каскадов: одно-, двух- и многокаскадные.

4. По диапазону усиливаемых сигналов, в котором усилитель обеспечивает нормальную работу:

а) усилители низкой частоты (УНЧ), которые служат для усиления непрерывных периодических сигналов в диапазоне низких частот (от десятков герц до десятков килогерц);

б) усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления медленно меняющихся напряжений и токов в диапазона частот от нуля до некоторой частоты;

в) избирательные усилители предназначены для усиления сигналов в небольшой полосе частот; как правило, это усилители высокой частоты (УВЧ);

г) импульсные, или широкополосные усилители работают в диапазоне от нескольких килогерц до нескольких десятков мегагерц и используются в устройствах импульсной связи, радиолокации и телевидения.

3. Основные технические характеристики усилителей.

1. Коэффициент усиления показывает, во сколько раз напряжение (ток, мощность) на выходе усилителя больше, чем на входе.

2. Выходная мощность – это мощность, которая выделяется на нагрузке, присоединённой к выходу усилителя.

3. Коэффициент полезного действия определяется отношением выходной мощности к мощности, развиваемой всеми источниками питания усилителя.

4. Частотные искажения – это искажения, вызванные различной степенью усиления на различных частотах.

5. Фазовые искажения – это искажения, вызванные непропорциональным сдвигом фаз между входным и выходным напряжением на разных частотах. Фазовых искажений не будет, если при усилении сдвиг фаз между входным и выходным напряжением остаётся постоянным для всех частот или он изменяется пропорционально частоте.

В усилителях телевизионных сигналов и в радиолокационных приёмниках фазовые искажения могут заметно исказить воспроизведение изображения на экране приёмника.

6. Нелинейные искажения проявляются в искажении формы усиливаемого сигнала.