Электрические цепи. Электрические машины. Электроника.

Содержание ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ 1. Свойства элементов электрических цепей 4 2. Топологические свойства электрической цепи 6 3. Законы электрических цепей 6 4. Режимы работы электрических цепей 7 5. Цепи с индуктивными связями 23 6. Переходные процессы в электрических цепях 26 7. Трехфазные цепи 28 8. Нелинейные цепи 37 9. Периодические несинусоидальные токи и напряжения в электрических цепях 39 10. Магнитные цепи 40 11. Средства измерения электрических величин 43 12. Электробезопасность и методы её обеспечения 48 Тесты к разделу «Электрические цепи» 63 Контрольные вопросы к разделу «Электрические цепи» 67 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ 1. Трансформатор 68 2. Асинхронный двигатель 72 3. Синхронная машина 79 4. Машина постоянного тока 84 5. Виды защиты электрооборудования 89 6. Электропривод 91 7. Системы управления и регулирования электроприводов 97 8. Технические требования к электроприводу 99 Тесты к разделу «Электрические машины» 100 Контрольные вопросы к разделу «Электрические машины» 103 ЭЛЕКТРОНИКА 1. Полупроводниковые приборы 104 2. Источники вторичного электропитания 122 3. Стабилизаторы напряжения постоянного тока 129 4. Электронные усилители 132 5. Электронные генераторы гармонических сигналов 138 6. Логические элементы 141 7. Генераторы прямоугольных импульсов 144 8. Тригерные устройства 145 9. Новые разработки в области полупроводниковых приборов 148 Тесты к разделу «Электроника» 152 Контрольные вопросы к разделу «Электроника» 154 Вопросы к экзамену по курсу «Электротехника и электроника» 155 Список литературы 157 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ 1. Свойства элементов электрических цепей Электрической цепью называется совокупность электротехнических устройств, образующих путь для прохождения электрического тока. К электротехническим устройствам относятся: • источники электромагнитной энергии (генераторы) или источники электрических сигналов (гальванические элементы, аккумуляторы); • приемники или потребители; • устройства передачи и преобразования электрической энергии (кабеля, провода и трансформаторы). Источники электрической энергии относятся к группе активных элементов электротехнических устройств. Если Rо = 0 и электродвижущая сила (ЭДС) Е= const, то источник называется идеальным. Внутреннее сопротивление источника тока Rвн во много раз больше сопротивления нагрузки. Аккумуляторная батарея по своим параметрам близка к идеальному источнику ЭДС. К группе пассивных элементов относятся: активное сопротивление R, индуктивность L, и ёмкость С. Источник ЭДС, Е – электродвижущая сила, – внутреннее сопротивление Источник тока I - ток источника, - внутреннее сопротивление Резистор (активное сопротивление в цепи переменного тока) R = const Индуктивность L = const Емкость С = const Рис. 1. Условные обозначения источников электрической энергии и элементов электрических цепей В электротехнических устройствах одновременно протекают три энергетических процесса: в активном сопротивлении в соответствии с законом Джоуля - Ленца происходит преобразование электрической энергии в тепло: . Здесь p, i, u - мгновенные значения активной мощности, тока и напряжения в цепи, R, g - активное сопротивление и проводимость. Мощность на активном сопротивлении всегда положительна. 1. Термин «сопротивление» применяется для условного обозначения элемента электрической цепи и для количественной оценки величины R. Сопротивление измеряется в Омах (Ом). Величина, обратная сопротивлению g, называется проводимостью и измеряется в Сименсах (См). Величина R любого приемника, не остается постоянной при протекании по нему тока, а зависит от температуры окружающей среды, однако для практических расчетов величину R можно принимать постоянной. В этом случае зависимость напряжения на сопротивлении R от силы тока в нем (вольтамперная характеристика) будет линей­ной. Электрические цепи, в которые включены постоянные сопротивления, называют линейными. 2. Индуктивный элемент - это элемент, в котором электромагнитная энергия преобразуется в энергию магнитного поля, которую можно подсчитать по формулам: , где - потокосцепление, Lк – индуктивность (коэффициент пропорциональности между током и потокосцеплением), ik - ток в катушке. Потокосцепление самоиндукции катушки это произведение магнитного потока, пронизывающего один виток на число витков катушки. В СИ потокосцепление измеряется в веберах, индуктивность в генри. Зависимость потокосцепления oт тока может быть линейной (Lк = const) или нелинейной (Lк зависит от тока). При изменении тока меняется потокосцепление и в катушке наводится ЭДС: Знак минус показывает, что ЭДС противодействует; изменению тока в цепи. Напряжение и мощность на индуктивности равны: . Мощность на индуктивности может быть как положительной, так и отрицательной. 3. Конденсатор. Накопление энергии в электрическом поле конденсатора , где q - заряд; u - напряжение; С - емкость конденсатора. Заряд измеряется в кулонах, емкость в фарадах. Если напряжение на обкладках конденсатора изменяется, то в цепи возникает ток смещения: Мощность конденсатора положительна при его заряде и отрицательна при разряде. Сопротивление R, индуктивность L и емкость С зависят от свойств самого элемента электрической цепи и свойств окружающей среды. 2. Топологические свойства электрической цепи Соединения элементов R, L, С и источников электромагнитной энергии, образующие замкнутые пути для электрического тока называют электрической цепью, а их графическое представление - схемой электрической цепи. В элек­трической цепи принято различать ветви, узлы и контуры. Участок электрической цепи, по которому прохо­дит один и тот же ток называ­ется ветвью. Замкнутый путь, образованный одной или несколькими ветвями, называется контуром, а любая замкнутая поверхность, охватывающая ветви электрической цепи называется узлом. На схеме узел изображается точкой. Электрические цепи классифицируются: по роду тока (постоянный, переменный); по характеру элементов (линейные и нелинейные); по сложности (простые, сложные). Схемы электрических цепей бывают: монтажные, принципиаль­ные, замещения и др. 3. Законы электрических цепей 1.Закон Ома: U = IR или I = U/R. Определяет связь между током и напряжением на участке цепи с сопротивлением R. 2. Первый закон Кирхгофа - закон баланса токов в узле. Алгебраическая сумма токов , в узле электрической цепи равна нулю. Токи выходящие из узла считаются положительными, а входящие в узел – отрицательными 3. Второй закон Кирхгофа – в любом замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраиче­ской сумме падений напряжения . 4. Закон Джоуля - Ленца. Энергия, выделяемая на сопро­тивлении R при протекании по нему тока i, пропорцио­нальна времени t и произведению квадрата силы тока на величину со­противления: . 4. Режимы работы электрических цепей Электрические цепи и их элементы могут работать в различных режимах, наиболее характерными из которых являются но­минальный, согласованный, холостого хода (х.х.) и короткого замыкания (к.з.). Номинальным режимом работы элемента электри­ческой цепи называют режим, при котором он работает с номинальными параметрами, указанными в его паспортных данных. Согласованным называют режим, при котором мощность, отдаваемая источником или потребляемая при­емником, имеет максимальное значение. Такое значение получается при определенном соотношении (согласова­нии) параметров электрической цепи. Под режимом х.х. понимается режим, при котором источник или приемник находятся под номинальным напряжением, но ток нагрузки по ни не протекает. Для двигателя это будет режим без механической нагрузки на валу. Режимом к.з. называют ре­жим, возникающий при соединении между собой металлической перемычкой нагрузочных зажимов источника или приемника. В практической деятельности в основном применяются два рода тока – постоянный и переменный. Под постоянным понимают электрический ток, не меняющий своего направления. Электрические цепи постоянного тока Постоянный ток используется в процессе электро­лиза (гальванопластика - получение легко отделяющихся точных металлических копий, гальваностегия - нанесение металлических покрытий из одних металлов на изделия из других металлов), на электротранспорте (электропоез­да, трамваи, троллейбусы, локомотивы), в осветительных приборах, в устройствах автоматики и вычислительной техники. Если ток постоянный, то в установившемся режиме отсутствует явление са­моиндукции и напряжение на катушке индуктивности рав­но нулю. поскольку т. к. . Если рассматривать конденсатор как идеальную емкость, то в цепи постоянного тока эта ветвь равносильна разомкнутой. Следовательно, в установившемся режиме, в цепи постоянного тока остаются только источники ЭДС (активные элементы) и приемники - резисторы (пассивные элементы). Простыми цепями постоянного тока называются цепи с одним источником ЭДС. Простые цепи могут содержать последовательное (рис. 2), параллельное (рис. 3) и смешанное (рис. 4) соединения приемников. Согласно 2-му закону Кирхгофа для схемы на рис. 1а имеем: , . Рис. 2. Последовательное соединение приемников Рис. 3. Параллельное соединение приемников Рис. 4. Смешанное соединение приемников При параллельном соединении приемников (рис. 1б) напряжение на всех приемниках одинаково. По закону Ома можно выразить токи в каждой ветви: . По первому закону Кирхгофа общий ток в неразветвленной части цепи: , . Смешанное соединение (рис.3) - комбинация первых двух соединений. Сложной электрической цепью называется цепь, содержащая несколько источников ЭДС. Расчет таких цепей (рис. 5) ведется на основании уравнений составленных по первому и второму законам Кирхгофа. Рис. 5. Схема сложной электрической цепи Для этого необходимо задать условные направления токов в ветвях (номер введем в соответствии с порядковым номером сопротивлений). По первому закону Кирхгофа составляются уравнения для каждого из независимых узлов (для данной схемы таких узлов 3). Выбираются направления обхода в каждом из независимых контуров и составляются уравнения по второму закону Кирхгофа - сумма падений напряжений на пассивных элементах замкнутого контура электрической цепи равна алгебраической сумме источников ЭДС в данном контуре. Для определения шести неизвестных токов решить полученную систему из шести линейных уравнений. Чтобы снизить порядок системы, используют метод контурных токов или узловых напряжений [1]. Баланс мощности На основании закона сохранения энергии в электрической цепи Сумма мощностей, развиваемая источниками энергии, должна быть равна сумме мощностей приемников: , где - сумма мощностей источников; - сумма мощностей всех приемников и потерь внутри источников. Электрические цепи переменного тока Переменный ток, по сравнению с током постоянным получил гораздо большее распространение как в промышленности, так и в быту. Это объясняется рядом причин: • упрощается конструкция электродвигателей; • а синхронные генераторы могут быть выполнены на значительно большие мощности и более высокие напряжения, чем генераторы постоянного тока; • переменный ток позволяет легко изменять величину напряжения с помощью трансформаторов, что необходимо при передаче электроэнергии на большие расстояния. Переменным называется ток, периодически меняющийся по величине и направлению и характеризующийся амплитудой, периодом, частотой и фазой. . Амплитудой переменного тока называется наибольшее положительное значение переменного тока в течение одного периода () его изменения. Периодом называется время, в течение которого происходит полное колебание тока в цепи. Величина i называется мгновенным значением синусоидального тока. Частота (f) - величина, обратная периоду , измеряется в Гц. В системе СИ используется круговая или циклическая частота , измеряемая в рад/с, . Начальной фазой называется угол между началом координат и ближайшей точкой, в которой синусоида тока проходит через ноль. Токи и напряжения в электрических цепях переменного тока промышленной частоты (50, 60 Гц) изменяются по синусоидальному закону. График изменения во времени синусоидальной функции тока i показан на рис. 6. Расчет цепей переменного тока с использованием мгновенных значений тока, напряжения и ЭДС применяется редко. Рис. 6. Изменение мгновенного значения тока во времени Синусоидальное напряжение или ток можно представить на комплексной плоскости вращающимся вектором. Тогда амплитудное значение напряжения Um или тока Im будет представлять собой модуль или длину вектора напряжения или тока. Величину переменного напряжения или тока мож­но оценить значением амплитуды, средним значением за полупериод или действующим значением. При синусоидальном измене­нии напряжения или тока среднее значение напряжения определяется: . Тепловое действие тока, а также сила взаимодейст­вия двух проводников, по которым проходит один и тот же ток, пропорциональны квадрату тока. Поэтому о величине тока судят по так называемому действующему (средне­квадратичному) значению за период. Действующее значение переменного тока равно по величине такому постоянному току, который, проходя че­рез неизменное сопротивление за период Т, выделяет то же количество тепла, что и переменный ток. откуда . При синусоидальном законе изменения действую­щие значения тока и напряжения: ; . Приборы электромагнитной системы, применяе­мые для измерений переменных напряжений и токов, регистрируют действующие значения. Соответствен­но градуируются и шкалы этих приборов. Ток, протекающий, через индуктивность L (рис. 7), меняется по закону синуса . Рис. 7. Кривые напряжения и тока в индуктивном сопротивлении Напряжение на индуктивности определяется выра­жением: , где – модуль индук­тивного сопротивления цепи переменного тока. В идеальной индуктивности ток отстает от напряжения . Если напряжение на емкости меняется по закону синуса . . Рис. 8. Кривые напряжения и тока в емкостном сопротивлении В идеальной емкости ток опережает напряжение на 90°: . В резистивном элементе R ток и напряжение совпадают по фазе , рис. 9. Состояние электрической цепи переменно­го тока (режим) описывается дифференциальными уравнениями, составленными по законам Кирхгофа, представляющими собой уравнения с постоянными коэф­фициентами и правой частью, например . Из курса высшей математики известно, что общее решение такого уравнения может быть найдено методом наложения установившегося и свободного режимов: где - ток установившегося режима, - ток свободного режима. Свободные процессы исследуются с целью опреде­ления устойчивости системы. В устойчивой системе про­цессы должны затухать. Принужденный и свободный ре­жимы в. сумме определяют процессы, которые называются переходными, т.е. осуществляется переход от одного уста­новившегося режима к другому. При установившемся режиме ток и напряжение со­храняют в течение длительного времени амплитудные зна­чения. В цепях постоянного тока токи и напряжения ос­таются неизменными, а в цепях переменного тока остают­ся неизменными кривые изменения токов и напряжений. Мощность цепи переменного синусоидального тока В периодическом синусоидальном режиме мгновенная мощность . Используя известное тригонометрическое преобразование и обозначив , получим . Второе слагаемое мгновенной мощности за период равно нулю. Отсюда получаем, что мощность в цепи переменного тока не зависит от времени и определяется как , где - коэффициента мощ­ности. В цепи с резистором Rр = 0, на рис. 9 приведены временные характеристики тока и напряжения, а на рис. 10 кривая мощности, соответствующие указанному режиму. Коэффициент мощности имеет большое практическое и экономиче­ское значение, так как характеризует степень использова­ния энергетического оборудования. Увеличение дает возможность полнее использовать номинальную мощность генератора электрической энергии, повысить его КПД. Рис. 9. Напряжение и ток в активном сопротивлении Рис. 10. Мощность в активном сопротивлении Комплексный метод расчета цепей переменного тока Для цепи переменного тока с последовательным соединением (рис. 11) дифференциальное уравнение по второму закону Кирхгофа имеет вид: . Рис. 11. Последовательное включение Решение системы дифференциальных уравнений можно существенно упростить, если перейти от дифференциальных уравнений к алгебраическим, Это можно сделать, изображая синусоидальные величины () в комплексной форме, т.е. в виде вектора на комплексной плоскости (рис. 12). Рис. 12. Вектор и его проекции на ось мнимых чисел Расположим под углом абсцисс вектор , длина которого в масштабе равна ампли­туде изображаемой величины. Положительные углы будем откладывать в направлении против часовой стрелки. Проекции вектора на вертикальную ось мнимых величин в комплексной плоскости равны мгновенному значению напряжения. Система векторов на комплексной плоскости называется векторной диаграммой. Вектора вращаются относительно центра координат с одной и той же скоростью и поэтому относительно друг друга их положение не меняется. Векторная диаграмма изображается неподвижной в заданный момент времени, определяемый на­чальной фазой какой-либо величины, например, для иде­альных элементов (рис. 13). Рис. 13. Векторные диаграммы для идеальных элементов Сложение двух функций в тригонометрической форме трудоемко, но легко производится в векторной форме (рис. 14). Рис. 14. Векторные диаграммы сложения двух напряжений В расчетах применяют три формы записи комплексных величин: 1)алгебраическая ; 2) тригонометрическая ; ; 3) показательная, учитывая . Символ j перед мнимой частью комплексного чис­ла в алгебраической форме означает, что мнимая часть по­вернута по отношению к вещественной на угол 90° в по­ложительном направлении (против часовой стрелки). Переходы из одной формы записи в другие: где где . Представленная ранее система дифференциальных уравнений для цепи переменного тока с в комплексном виде записывается следующим образом: ; ; . Используя выражения , , запишем выражение для полного напряжения цепи: где – комплексное сопротивление; – комплексная амплитуда напряжения; – комплексная амплитуда тока. При замене амплитудных значений на действующие получим закон Ома в комплексной форме: . Первый закон Кирхгофа в комплексной форме: . Второй закон Кирхгофа в комплексной форме: . Векторная диаграмма напряжений для цепи (рис. 11) будет представлять собой прямоугольный тре­угольник (рис. 15): ; ; Рис. 15. Треугольник напряжений Треугольники токов, сопротивлений (рис. 16) и мощностей (рис. 17) строятся аналогично: ; ; ; ; ; . Рис. 16. Треугольник сопротивлений Рис. 17. Треугольник мощностей Полная мощность: , ; ; ; ; ; . При параллельном соединении ветвей (рис. 18) их проводимости складываются в комплексной форме: ; ; Общий ток согласно первому закону Кирхгофа: Рис. 18. Параллельное соединение ветвей Резонансные явления в электрических цепях Идеальное активное сопротивление от частоты не зависит, индуктивное сопротивление линейно зависит от частоты емкостное сопротивление зависит от частоты по гиперболическому закону (рис. 19). , Рис. 19. Зависимость сопротивлений R, XL,XC от частоты Резонанс напряжений Резонансом в электрических цепях называется режим участка электрической цели, содержащей индук­тивный и емкостной элементы, при котором разность фаз между напряжением и током равна нулю ( = 0). Режим резонанса может быть получен при изменении частоты питающего напряжения или изменением параметров элементов L и С. При последовательном соединении возникает ре­зонанс напряжения (рис. 20). . Рис. 20. Схема последовательного соединения Знаменатель данного выражения есть модуль ком­плексного сопротивления, который зависит от частоты. При достижении некоторой частоты реактивная состав­ляющая сопротивления исчезает, модуль сопротивления становится минимальным, ток в данной схеме возрастает до максимального значения, причем вектор тока совпадает с вектором напряжения по фазе (рис. 21): ; ; ; , где – резонансная частота напряжения, определяемая из условия: ; . Тогда , . Волновое или характеристическое сопротивление последовательного контура . Отношение напряжения на индуктивности или ем­кости к напряжению на входе в режиме резонанса называ­ется добротностью контура: . Добротность контура представляет собой коэффи­циент усиления по напряжению и в катушках индуктивно­сти может достигать сотен единиц: . Рис. 21. Зависимость тока, сопротивления и угла от частоты При XL >> R напряжение на индуктивности (или емкости) может быть гораздо больше напряжения на вхо­де, что широко используется в радиотехнике. В промыш­ленных сетях резонанс напряжений является аварийным режимом, так как увеличение напряжения на конденсаторе может привести к его пробою, а рост тока - к нагреву про­водов и изоляции. Резонанс токов Резонанс токов может возникнуть при параллель­ном соединении (рис. 22) реактивных элементов в цепях переменного тока. В этом случае: , , , где , тогда . При определенной частоте, называемой резонанс­ной, реактивные составляющие проводимости могут срав­няться по модулю и суммарная проводимость будет мини­мальной. Общее сопротивление при этом становится мак­симальным, общий ток минимальным, вектор тока совпа­дает с вектором напряжения. Такое явление называется резонансом токов (рис. 23). Рис. 22. Параллельное соединение реактивных элементов Рис. 23. Зависимость тока, сопротивления и угла от частоты Активная проводимость g « b, ток в ветви с индуктивностью гораздо больше общего тока, при такое явление называется резонансом токов и широко используется в силовых сетях промышленных предприятий для компенсации реактивной мощности. Резонансную частоту тока найдем из условия равенства реактивных проводимостей ветвей. , после ряда преобразований, получим: . Из формулы следует, что: L – резонансная частота зависит не только от пара­метров реактивных сопротивлений, но и актив­ных; резонанс возможен, если и , больше или меньше , в противном случае частота будет мнимой величиной и резонанс невозможен; если == , то частота будет иметь неопределенное значение. что означает возможность существования резонанса на любой частоте при совпадении фаз напряжения питания и общего тока. Энергетические процессы в цепи при резонансе то­ков аналогичны процессам, происходящим при резонансе напряжений. Реактивная энергия циркулирует внутри цепи: в одну часть периода энергия магнитного поля индуктивности пе­реходит в энергию электрического поля емкости, в сле­дующую часть периода происходит обратный процесс. При резонансе токов реактивная мощность равна нулю. Большинство промышленных потребителей пере­менного тока носит активно-индуктивный характер и, следовательно, потребляют реактивную мощность. К та­ким потребителям относятся асинхронные двигатели, ус­тановки электрической сварки и т.д. Для уменьшения реактивной мощности и повыше­ния коэффициента мощности параллельно потребителю включают батарею конденсаторов, что приводит к уменьшению тока в проводах, соединяющих потребителя с источником энергии. 5. Цепи с индуктивными связями Индуктивно связанными элементами электриче­ской цепи переменного тока - называются индуктивные ка­тушки, в которых кроме ЭДС самоиндукции создается ЭДС от действия переменного магнитного поля других индуктивных катушек с током. Такая ЭДС называется ЭДС взаимной индукции. Взаимная индуктивность между первой катушкой с током и второй определяется как: и наоборот от 2-й катушки с первой . При этом , где – коэффициент взаимной индукции. Измеряется, как и идуктивность, в генри. Чтобы знать, как направлены друг относительно друга магнитные потоки самоиндукции и взаимной индук­ции, используют решетку зажимов катушек (рис. 24). Рис. 24. Индуктивно связанные катушки - напряжение индукции. - напряжение взаимной индукции. При одинаковом направлении токов относительно одноименных зажимов магнитные потоки самоиндукции и взаимной индукции в каждой катушке суммируются. Такое включение называется согласным Включение, при котором токи в обеих катушках имеют противоположные направления, относительно одноименных зажимов, называется встречным. В этом случае магнитные самоиндукции и взаимные индукции в каждой катушке вычитаются. Последовательное соединение катушек Рис. 25. Последовательное соединение катушек При согласном включении: , так как . При встречном: , . Для мгновенных значений: . где , а . Зная и можно определить сопротивление взаимной индукции . Рис. 26. Параллельное соединение катушек Параметры цепи можно определить по соотношениям: где . Верхний знак соответствует согласованному включению катушек. 6. Переходные процессы в электрических цепях Переходные процессы есть процессы перехода от одного установившегося состояния к другому устано­вившемуся состоянию. Изменения параметров элемен­тов схемы или изменение режима работы самой схемы, называются коммутациями. Непосредственное изменение сигналов тока и напряжения во времени может быть определено класси­ческим методом расчета электрических цепей. Основой этого способа является составление дифференциальных уравнений, описывающих состояние цепи, и их интегри­рование, причем количество производных определяется числом элементов-накопителей в заданной цепи. В соответствии с классическим методом находят частное и общее решение однородных дифференциальных уравнений. Частное решение обусловлено вынужденным воздействием источников или . Общее решение находят при отсутствии источников. В этом случае токи и напряжения называются свободными и всегда затухают за счет потерь в цепи. В случае посторонних корней процессы в цепи могут быть колебательными за счет собственных колебаний цепи, но также будут убывать во времени при положительной вещественной части. Законы коммутации В природе соблюдается принцип непрерывности во времени потокосцепления индуктивности и электрическо­го заряда емкости . Потокосцепление скачком измениться не может . Заряд емкости скачком измениться не может Следовательно, по 1-му закону коммутации в пер­вый момент после коммутации ток в катушке индуктив­ности скачком измениться не может ; по 2-му закону коммутации в первый момент после коммутации напряжение на емкости скачком измениться не может . За начало отсчета переходного процесса принимается время, равное нулю, начальные значения токаи напряжения да коммутации определяются из начальных условий. Анализ переходных процессов в линейных цепях с сосредоточенными параметрами сводится к решению ли­нейных неоднородных дифференциальных уравнений на основе законов Кирхгофа. При включение цени с R, L на постоянное напряжение (рис. 27). Рис. 27. Включение цепи R,L под постоянное напряжение уравнение цепи имеет вид: . Общее решение уравнения может быть найдено методом наложения принужденного и свободного режи­мов. , - ток принужденного режима; - ток свободного или общее решение однородного уравнения (с нулевой правой частью), В общем случае . Число слагаемых зависит от порядка уравнения или числа накопителей энергии. Свободные процессы исследуются для определения устойчивости системы. В устойчивой системе процессы должны затухать. Принужденный режим определяет новое состояние электрической цепи после окончания переходного процесса. До коммутации (до включения) ток в цепи отсутст­вовал . На основании 1-го закона коммутации ток в индуктивности в первый момент после коммутации равен току до коммутации. В нашем примере ток равен 0. Ток находим в виде суммы принужденной и свободной составляющих , - ток принужденного режима при . Свободную составляющую находим из уравнения , Решение этого уравнения . А - постоянная интегрирования, определяемая из началь­ных условий при t = 0 с использованием законов коммутации, в частном: случае потто закона дня индуктивности . , . Учитывая, это условие решение будет иметь вид: ; ; Вид кривых тока и напряжений на элементах цепи приведен на рис 28. Рис 28. Вид кривых тока и напряжений на элементах цепи При отключении цепи с индуктивным сопротивлением от источника постоянного тока автоматическим вы­ключателем ток не сразу становится равным нулю, так как в катушке индуцируется ЭДС такой величины, при кото­рой напряжение между разомкнутыми контактами проби­вает воздушный промежуток. Возникает электрическая дуга, по которой цепь остается замкнутой да тех пор, пока вся энергия магнитного поля не преобразуется в тепло в электрической дуге и в сопротивлении катушки. 7. Трехфазные цепи Трехфазные цепи - совокупность однофазных, в которых действуют синусоидальные токи и напряжения одной частоты, отличающиеся по фазе. В электротехнике термин фаза имеет два значения: понятие, характеризующее стадию периодического про­цесса, и наименование однофазных цепей, образующих многофазную систему. В трехфазных системах токи (напряжения) фаз сдвинуты на одну треть периода, т.е. на 120°. Рассмотрим работу простейшего трехфазного гене­ратора (рис. 29 а). Он состоит из статора, внутри которого расположены три обмотки, сдвинутые относительно друг друга на 120о, и мощного электромагнита с обмоткой, по­лучающей питание от источника постоянного тока. При вращении магнита в обмотках индуцируются ЭДС, сдвину­тые во времени также на 120° (рис. 29 б). Рис. 29 а. Схема работы простейшего трехфазного гене­ратора Рис. 29 б. Получение трехфазной системы ЭДС Ниже приведены выражения для ЭДС фаз А, В, С и их векторная диаграмма, рис. 30: Рис. 30. Векторная диаграмма трехфазной системы ЭДС. Соединение фаз звездой Рассмотрим схему соединения звездой рис. 31. Рис. 31. Схема соединения звездой - фазные напряжения (напряжения между началом « концом соответствующей фазы); - фазные токи - токи в фазах приемника; - линейные напряжения (напряжения между началами двух соседних фаз); - линейные токи - токи в линиях. Для схемы соединения звезда рис. 31), очевидно равенство фазных и линейных токов. Независимо от характера нагрузки: ; ; ; Из векторной диаграммы (рис. 32) при равномер­ной, симметричной) нагрузке: ;; ; ; Рис. 32. Векторная диаграмма напряжений При неравномерной (несимметричной) нагрузке . Между точками N и N1 возникает напряжение несимметрии (рис 33). ; ; . Рис. 33. Трехпроводная схема соединения звездой При симметричной нагрузке . При несимметричной нагрузке напряжения фаз приемника неодинаковы по величине и по фазе (рис. 34). Для обеспечения симметричной системы напряже­ний во всех фазах и независимой работы отдельных при­емников используется, схема звезда с нулевым проводом иди четырехпроводная система (рис. 35). Рис. 34. Векторная диаграмма напряжений при несимметричной нагрузке Рис. 35. Четырёхпроводная схема соединения звездой , , . Поскольку узлы NN1 соединены нулевым проводом, напряжение между ними равно нулю. При несимметрич­ной нагрузке фазные и линейные; напряжения остаются постоянными. Четырехпроводная система позволяет получать од­новременно два напряжения фазное и линейное, напри­мер, 220 В и 380 В. Рис. 36. Схема соединения треугольником Рассмотрим схему соединения треугольником на рис. 36. Из схемы очевидно: Для схемы соединения треугольником: Рис 37. Векторная диаграмма токов Связь между линейными и фазными токами показана на рис. 37: ; Для симметричной трех­фазной системы справедли­вы соотношения: в схеме звездой ; ; ; . Используя метод преобразования, всегда можно перейти от схемы соединения «звезда» к схеме соединения «треугольник» и наоборот (рис. 38). Преобразование будет эквивалентным, если режим работы остальной части электрической цепи не изменится, то есть токи, притекающие к узловым точкам, в той и другой схеме будут одинаковыми, а. потенциалы соответствующих узлов будут равны. Эти два условия сводятся к тому, что сопротивления или проводимости между двумя узловыми точками должны быть равны. Рис. 38. Схемы соединения электрической цепи «звезда» и «треугольник» Значения сопротивлений согласно обозначениям на рис. 38 при переходе от «звезды» к «треугольнику» и от «треугольника» к «звезде» .; ; ; ; . Мощность трехфазной системы В общем случае мощность трехфазного приемника равна сумме мощностей всех фаз . Для симметричной системы: и . Принимая и и учитывав сдвиг фаз токов и напряжении во времени на угол 120°, запишем: . Получили значение мощности, не зависящее от времени и по­стоянное на всем его протяжении. Система, в которой мощ­ность не зависит от времени, называется уравновешенной. Докажем справедливость данного утверждения. . , отсюда Подставим: значение тока фазы В в уравнение для мощности и после ряда перестановок получим, что , где первое слагаемое это показания пер­вого ваттметра, второе — показания второго. В случае, если угол между напряжением и током равен 0 (активная нагрузка), будет иметь одинаковые показания двух ваттметров. Мощность равна сумме показания приборов независимо от характера нагрузки, так как: при индуктивной нагрузке ; . при емкостной нагрузке . ; При симметричной нагрузке справедливы соотношение для схемы соединения звездой ; , для схемы треугольником ; Измерение мощности для трехфазной сети; Метод двух ваттметров для измерения мощности однородной трехфазной, нагрузки представлена на рис. 39. Для данной системы независимо от соединения нагрузки можем записать: ;; ; Мощность при трехфазной нагрузке: ; . По показаниям ваттметров при равномерной нагрузке можно определить угол нагрузки: Рис. 39. Схема измерения мощности методом двух ваттметров При симметричной нагрузке (модули и фазы со­противлений нагрузки равны между собой) измерение мощности можно производить одним ваттметром, вклю­ченным на фазное напряжение и фазный ток, . При несимметричной нагрузке требуется измерение тремя ваттметрами, включаемыми в каждую фазу. При симметричной нагрузке (модули и фазы со­противлений нагрузки равны между собой) измерение мощности можно производить одним ваттметром, вклю­ченным на соответствующие фазное напряжение и фазный ток . При несимметричной нагрузке требуется измере­ние тремя ваттметрами, включаемыми в каждую фазу. 8. Нелинейные цепи К нелинейным относятся цепи, содержащие нели­нейные элементы (НЭ), у которых параметры R,L, C за­висят от напряжения I, тока I и магнитного потока Ф, В электрических схемах НЭ обозначаются как: Резистор Индуктивность Емкость Особенностью нелинейных элементов является на­личие статического и динамического сопротивлений. Рассмотрим их на примере вольт-амперной характеристики (ВАХ) (рис. 40). Рис. 40. Вольт-амперная характеристика Статическое сопротивление . Динамическое сопротивление . Как при постоянном, так и при переменном токе статические и динамические (дифференциальные) сопро­тивления в общем случае не равны друг другу (они могут совпадать по величине только в отдельных точках или на отдельных участках). При переходе с од­ного участка вольт-амперной характеристики к другому статические и динамические сопротивления не остаются постоянными. Динамическое сопротивление используется при нахождении общего решения системы уравнений электри­ческого равновесия цепи. Вольт-амперные характеристики делятся на симметричные и несимметричные относительно начала координат, на монотонные, если производная не меняет свой знак, и немонотонные при смене знака производной. Если ВАХ НЭ проходит через начало координат, то это пассивный элемент, в котором происходят необра­тимые преобразования электрической энергии. В против­ном случае отрезки от начала координат до пересечения с ВАХ будут определять наличие источников энергии, ко­торая отдается во внешнюю по отношению к нелинейному элементу части цепи. При несимметричной характеристике сопротивле­ние нелинейного элемента зависит от знака приложенного напряжения. В качестве примера нелинейных элементов можно назвать диод, стабилитрон и варистор. НЭ могут быть управляемыми (тиристор, транзи­стор) и неуправляемыми 1 (диод, стабилитрон). В достаточно широком диапазоне частот многие нелинейные элементы (полупроводниковые диоды и др.) являются безинерционными: их нелинейная характеристи­ка выражает зависимость между мгновенными значениями тока и напряжения. Если к такому элементу подвести си­нусоидальное напряжение, то вследствие нелинейности, характеристика тока будет несинусоидальной и наоборот. Следовательно, нелинейный элемент обладает способностью преобразовывать спектр воздействующих на него колебаний. Эта их особенность наряду с другими свойствами позволяет использовать нелинейные элементы как в авто­матике, так и в радиотехнике. Для расчета нелинейных цепей используют три метода: 1) графический; 2)аналитический; 3)графоаналитический. В общем случае расчет цепей с нелинейными элемен­тами представляет из себя сложную задачу, так как точная, аппроксимация характеристик приводит к сложным мате­матическим выражениям. На практике пользуются такими способами аппроксимации, как кусочно-линейная или степенной полином. 9. Периодические несинусоидальные токи и напряжения в электрических цепях В промышленных сетях идеальных синусоид тока и напряжения практически не бывает. Возникающие иска­жения и пульсации напряжения, а также перекосы фаз свя­заны с несимметричной нагрузкой и присутствием нелинейных элементов (элементы со стальными сердечниками, выпрямительные установки, вентильные элементы, элек­трические дуговые печи), рис. 41. Рис. 41. Кривая несинусоидального тока на нагрузке при однополупериодном выпрямлении с использованием диода Несинусоидальные токи и напряжения можно представить в виде суммы синусоидальных напряжении и токов при помощи разложения в ряд Фурье с ограничени­ем числа членов. В общем случае: ; ; где -постоянная составляющая, - амплитуды гармонических составляющих, - частота основной гармоники, - начальные фазы гармоник. На практике для выбора и оценки различных элек­тротехнических устройств, при расчетах и измерениях в электрических цепях с периодическими токами и напря­жениями любой формы в качестве одной из основных ха­рактеристик пользуются действующим значением. Действующее значение ЭДС (напряжения) и тока: ; ; Средние мощности: активной , реактивной , полной . Примечание. В цепях периодического несинусоидального тока: . 10. Магнитные цепи Электрический ток связан с магнитным полем. Ос­новными величинами, характеризующими магнитное поле, являются: магнитный поток, магнитная индукция и напряженность магнитного поля. Магнитный поток Ф измеряется в веберах, . Для катушки индуктивности . Магнитная индукция в — интенсивность магнитного потока, (где S - сечение магнитопровода). Напряженность магнитного поля связана с . Магнитная проницаемость вещества Относительная магнитная проницаемость Магнитная проницаемость в вакууме Все вещества по величине магнитной проницаемо­сти делятся на: диамагнетики (висмут); пара­магнетики (кислород); ферромагнетики (железо, кобальт, никель и их сплавы). Кривая намагничивания (рис. 42) показывает связь между магнитной индукцией и напряженностью магнитно­го поля. У ферромагнетиков эта связь существенно нелинейна. Рис. 42 Петля гистерезиса и кривая намагничивания В стали потери на перемагничивание пропорцио­нальны площади, ограниченной кривой намагничивания. Материалы с большой площадью кривой намагничивания называются магнитотвердыми, с малой площадью кривой намагничивания - магнитомягкими, например, электро­техническая сталь. Материалы, имеющие прямоугольную петлю гистерезиса, используются в автоматике и вычисли­тельной технике. Магнитной цепью называется часть Электротехни­ческого устройства, предназначенная для создания в его рабочем объеме магнитного поля заданной величины и конфигурации. Магнитная цепь электрических реле трансформа­торов, электрических машин состоит из источников, воз­буждающих магнитное поле, и магнитопровода, в котором магнитный поток концентрируется и практически весь за­мыкается. При расчете магнитной цепи может быть поставле­на задача определения намагничивающей силы (н.с.) при заданном магнитном потоке или индукции - это прямая задача. Обратная задача - определить магнитный поток по намагничивающей силе. В обеих задачах должны быть известны размеры участков магнитной цепи и кривая намагничивания мате­риала. Расчет магнитной цепи производится на основании первого закона Кирхгофа, по которому алгебраическая сумма магнитных потоков а узле магнитной цепи равна 0: , . Циркуляция вектора напряженности магнитного поля Н по замкнутому контуру равна алгебраической сум­ме токов, охватываемых этим контуром. Если контур интегрирования охватывает k витков, то - намагничивающая сила или магнитодвижущая сила (МДС), измеряется в ампер-витках (ав). В общем случае , . Закон Ома для участка магнитной цепи длиной 1ср и площадью S. При напряжении UM между концами участка связь между напряженностью магнитного поля Н и индук­цией В выражается формулой: . В этом выражении Ф аналогичен току электриче­ской цепи, а магнитное напряжение - электрическому напряжению. Тогда магнитное сопротивление . Магнитное сопротивление определяется воздуш­ным зазором. При наличии воздушного зазора для созда­ния соответствующей индукции требуется большой ток. При отсутствии воздушного зазора для создания соответ­ствующей индукции требуется небольшой ток. Нелинейность кривой намагничивания обуславли­вает нелинейность индуктивного сопротивления катушки на магнитном сердечнике. Катушки индуктивности на ферромагнитном магнитопроводе считаются нелинейными элементами как в цепи постоянного тока, так и при синусоидальном напря­жении. Для электрических цепей с нелинейным индуктивным и линейным емкостным сопротивлениями характерны явления феррорезонанса. При последовательном соедине­нии различают феррорезонанс напряжений, а при парал­лельном феррорезонанс токов. Вольт-амперные характеристики электрической цепи при последовательном и параллельном соединении элементов приведены соответственно на рис. 43а и 43б. Рис. 43. Вольт-амперные характеристики электрической цепи при последовательном и параллельном соединениях Скачкообразное изменение величины тока и его фазы при последовательном включении рассматриваемых элементов и скачкообразное изменение величины напряжения при параллельном включении являются одной из особенностей таких цепей. Релейные свойства феррорезонансных цепей используются в устройствах автоматики. Схема последовательного соединения может быть использована в качестве стабилизатора напряжения. Для изменения индуктивного сопротивления ка­тушки с ферромагнитным сердечником используют подмагничивание сердечника дополнительной катушкой, пи­таемой постоянным током. В этом случае она называется дросселем насыщения и используется для регулирования скорости вращения двигателей, регулирования освещения, а также в выпрямительных установках с регулируемым напряжением. 11. Средства измерения электрических величин Измерением называется процесс нахождения опытным путем значения физической величины с помо­щью специальных технических средств. Электроизмери­тельные приборы широко используются при наблюдении за работой электроустановок, при контроле за их состоя­нием и режимами работы, при учете расхода я качества электрической энергии, при ремонте и наладке электро­технического оборудовавши Электроизмерительными приборами называют средства электрических измерений, предназначенные для выработки сигналов, функционально, связанных с изме­ряемыми физическими величинами в форме, доступной для восприятия наблюдателем или автоматическим устройством. По виду получаемой информации электроизмери­тельные приборы делятся на приборы для измерения элек­трических (ток, напряжение, мощность и др.) и неэлектрических (температура, давление и др.) величин; по методу измерения - на приборы непосредст­венной оценки (амперметр, вольтметр и др.) и приборы сравнения (измерительные мосты и компенсаторы); по способу представления измеряемой информа­ции - на аналоговые и дискретные (цифровые). Наибольшее распространение получили аналого­вые приборы непосредственной оценки, которые класси­фицируются по следующим признакам: род тока (постоян­ный или переменный), род измеряемой величины (ток, на­пряжение, мощность, сдвиг фаз), принцип действия (маг­нитоэлектрические, электромагнитные, электро- и ферро-динамические), класс точности и условия эксплуатации. Для расширения пределов измерения электриче­ских приборов на постоянном токе используются шунты (для тока) и добавочные сопротивления (для напряже­ния). На переменном токе трансформаторы тока (тт) и на­пряжения (тн). Измерение напряжения осуществляется вольтмет­ром (V), подключаемым непосредственно на зажимы ис­следуемого участка электрической цепи. Измерение тока осуществляется амперметром (А),включаемым последовательно с элементами исследуемой цепи. Измерение мощности (W) и сдвига фаз в цепях переменного тока производится с помощью ваттметра и фазометра. Эти приборы имеют две обмотки: неподвиж­ную токовую, которая включается последовательно, и под­вижную обмотку напряжения, включаемую параллельно. Для измерения частоты переменного тока (f) применяются частотомеры. Для измерения и учета электрической энергии - счетчики электрической энергии, подключаемые к измери­тельной цепи аналогично ваттметрам. Основными характеристиками электроизмеритель­ных приборов являются: погрешность, вариации показаний, чувствительность, потребляемая мощность, время ус­тановления показаний и надежность. Основными частями электромеханических прибо­ров являются электроизмерительная цепь и измерительный механизм. Измерительная цепь прибора является преобразо­вателем и состоит из различных соединений активного и реактивного сопротивлений и других элементов в зависи­мости от характера преобразования. Измерительный меха­низм преобразует электромагнитную энерго-механиче­скую, необходимую для углового перемещения его под­вижной части относительно неподвижной. Угловые пере­мещения стрелки а функционально связано с крутящим и противодействующим моментом прибора уравнением преобразования вида: , где k - конструктивная постоянная прибора; Xn - электрическая величина, под действием которой стрелка прибора отклоняется на угол а. На основании данного уравнения можно утвер­ждать, что если: 1. входная величина X в первой степени (n = 1), то а будет менять знак при изменении полярности, и на частотах, отличных от 0, прибор работать не может; 2. n = 2, то прибор может работать как на постоянном, так и на переменном токе; 3. в уравнение входит не одна величина, то в качестве входной можно выбирать любую, оставляя остальные постоянными; 4. две величины являются входными, то прибор можно использовать в качестве множительного преобразователя (ваттметр, счетчик) или делительного (фазометр, частотометр); 5. при двух или более входных величинах на несинусоидальном токе прибор обладает свойством избирательности том смысле, что отклонение подвижной части определяется величиной только одной частоты. Таблица 1. Данные аналоговых электроизмерительных приборов Система Обозначение системы Тип Уравнение преобразования Род тока Область приме-нения Расширение пределов измерения Допустимая частота измер. величины Магнитоэле-ктрическая м пост. шунт, доб. сопр Ял Электро­магнитная э пост,и перем. тт, тн» Яд 0 – 5000 Электроди­намическая д пост. и перем. тт,тн, Лд 0 – 10000 Ферродина-мическая д пост. и перем. тт.тн, Ra 0 – 1000 Электро-статическая с пост. и перем. - 0 – 108 Индукционная и перем. счетчик тт, тн, 50 Общими элементами являются: отсчетное устрой­ство, подвижная часть измерительного механизма, уст­ройства для создания вращающего, противодействую­щего и успокаивающего моментов. Отсчетное устройство имеет шкалу и указатель. Интервал между соседними метками шкалы называют делением. Цена деления прибора представляет собой значение измеряемой величины, вызывающее отклонение стрелки прибора на одно деление и определяется зависимостями: В/дел; А/дел; Вт/дел. Шкалы могут быть равномерными и неравномер­ными. Область между начальным и конечным значениями шкалы называют диапазонам показаний прибора. Показания электроизмерительных приборов не­сколько отличаются от действительных значений измеряе­мых величин. Это вызвано трением в измерительной части механизма, влиянием внешних магнитных и электрических полей, изменением температуры окружающей среды и т.д. Разность между измеренным Аизм и действительным Ад зна­чениями контролируемой величины называется абсолютной погрешностъю измерений: . Так как абсолютная погрешность не дает представ­ления о степени точности измерений, то используют относительную погрешность: . Поскольку действительное значение измеряемой величины при измерении неизвестно, для определения АА и Y можно воспользоваться классом точности прибора. Амперметры, вольтметры и ваттметры подразде­ляются на 8 классов точности: 0,05; ОД; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. Цифра, обозначающая класс точности, определяет наибольшую положительную или отрицательную основ­ную приведенную погрешность, которую имеет данный прибор. Например, для класса точности 0,5 приведенная погрешность составит ±0,5%. Принцип действия приборов магнитоэлектриче­ской системы основан на взаимодействии поля постоян­ного магнита и проводников с током, а электромагнит­ной - на втягивании стального сердечника в неподвиж­ную катушку при существовании в ней тока. Электроди­намическая система имеет две катушки. Одна из катушек, подвижная, укрепляется на оси и располагается внутри неподвижной катушки. Принцип действия прибора, возможность его рабо­ты в тех или иных условиях, возможные предельные погрешности прибора могут быть установлены по условным обозначениям, нанесенным на циферблат прибора. Например: (А) - амперметр; (~) - переменный ток в пределах от 0 до 50А; (±) - вертикального положения, класс точности 1,0 и т.д. Измерительные трансформаторы тока и напря­жения имеют ферромагнитные магнитопроводы, на кото­рых располагаются первичные и вторичные обмотки. Чис­ло витков вторичной обмотки всегда больше первичной. Зажимы первичной обмотки трансформатора тока обозначают буквами Л1 и Л2 (линия), а вторичной – И1 и И2 (измерение). По правилам техники безопасности один из зажимов вторичной обмотки трансформатора тока, так же, как и трансформатора напряжения, заземляют, что делает­ся на случай повреждения изоляции. Первичную обмотку трансформатора тока включают последовательно с объектом, у которого проводят измерения. Сопротивление пер­вичной обмотки трансформатора тока мало по сравнению с сопротивлением потребителя. Вторичная обмотка замыка­ется на амперметр и токовые цепи приборов (ваттметр, счетчик и т. д.). Токовые обмотки ваттметров, счетчиков и реле рассчитывают на 5А, вольтметры, цепи напряжения ваттметров, счетчиков и обмоток реле - на 100 В. Сопротивления амперметра и токовых цепей ватт­метра невелики, поэтому трансформатора тока работает фактически в режиме короткого замыкания. Номинальный ток вторичной обмотки равен 5А. Коэффициент трансфор­мации трансформатора тока равен отношению первичного тока к номинальному току вторичной обмотки, а у транс­форматора напряжения - отношению первичного напря­жения ко вторичному номинальному. Сопротивление вольтметра и цепей напряжения измерительных приборов всегда велико и составляет не менее тысячи Ом. В связи с этим трансформатор напряже­ния работает в режиме холостого хода. Показания приборов, включенных через трансфор­маторы тока и напряжения, необходимо умножать на ко­эффициент трансформации. Электронные аналоговые приборы представляют собой сочетание различных электронных преобразователей и магнитоэлектрического прибора и служат для измерения электрических величин. Они обладают высоким входным сопротивлением (малым потреблением энергии от объекта измерения) и высокой чувствительностью. Используются для измерения в цепях повышенной и высокой частоты. Принцип действия цифровых измерительных при­боров основан на преобразовании измеряемого непрерыв­ного сигнала в электрический код, отображаемый в цифро­вой форме. Достоинствами являются малые погрешности измерения (0.1-0,01 %) в широком диапазоне измеряемых сигналов и высокое быстродействие от 2 до 500 измерений в секунду. Для подавления индустриальных помех они снабжены специальными фильтрами. Полярность выбирается автоматически и устанавливается на отсчетном устройст­ве. Содержат выход на цифропечатающее устройство. Используются как для измерение напряжения и тока, так и для пассивных параметров – сопротивление, индуктивность, емкость. Позволяют измерять частоту и ее отклонение, за интервал времени и число импульсов. 12. Электробезопасность и методы ее обеспечения К опасностям, связанным с неправильным приме­нением электроэнергия, относятся: • поражение электрическим током человека, случайно оказавшегося под напряжением. Токи через тело человека порядка 0,05-0,1 А опасны, большие значения могут быть смертельны; • перегрев проводов или электрическая дуга между ними при коротких замыканиях, которые приводят к ожогам человека или пожарам; • перегрев поврежденных участков изоляции между проводами токами утечки через изоляцию, что приводит к самовозгоранию изоляцию; • перегрев корпусов электрооборудования вследствие их перегрузки. В связи с этим на горных предприятиях, например, применяются: • общепромышленное электрооборудование на открытых площадках и помещениях с обычными условиями эксплуатации; • специальное оборудование с жесткими условиями эксплуатации для открытых карьеров и в подземных выработках с высокой влажностью; • рудничное взрывозащищенное оборудование в подземных выработках, где могут создаваться взрывоопасные воздушные среды за счет газа и угольной пыли. Для обеспечения безопасности необходимо: • исключить возможность прикосновения человека к токоведущим частям, что достигается заключением электрооборудования в закрытые корпусы и его отключением при ремонтах; • по возможности применять безопасные низкие напряжения до 36 В при пользовании переносным электрооборудованием; • поддерживать высокий уровень изоляции относительно земли; • снижать влияние емкости проводов; • использовать защитное заземление (заземляющий провод); • применять общесетевые аппараты защиты от уте­чек в сетях с глухим заземлением нейтрали. В сети с занулением присоединение корпусов электрооборудования к отдельным заземлителям, не со­единенным с нейтральным проводом, запрещено. Действие электрического тока на организм человека и первая помощь пострадавшим. Действие электричеекого тока на организм челове­ка проявляется в следующих видах: термическое, электро­литическое, механическое, биологическое. Термическое воздействие проявляется в виде токо­вого и дугового ожогов. Степени ожога: покраснение, появление пузырей, омертвение тканей, обугливание. При этом следует учиты­вать площадь поражения. При поражении электрическим током человек мо­жет получить местные электротравмы либо электрический удар. Местные электротравмы: ожог, металлизация кожи, электрические знаки, электроофтальмия. Электролитическое воздействие проявляется в виде поражения внутренних органов вследствие электрохимических реакций в теле человека. Механическое воздействие может быть прямым или косвенным. Прямое механическое воздействие прояв­ляется в виде разрыва мышечных тканей и стенок крове­носных сосудов за счет превращения лимфы или крови в пар. Косвенное механическое воздействие проявляется в виде ушибов, вывихов, переломов при резких непро­извольных судорожных сокращениях мышц. Биологическое воздействие проявляется в виде электрического удара - воздействия электрического тока на центральную нервную систему. Электрический удар имеет несколько степеней: 1) легкая дрожь в суставах, слабая боль, 2) сильные боли в суставах, 3) потеря сознания и нарушение сердечной дея­тельности или дыхания, 4) потеря сознания и остановка сердца либо оста­новка дыхания, 5) потеря сознания, остановка сердца, остановка дыхания, т.е. состояние клинической смерти. На степень поражения человека электрическим то­ком существенно влияют: величина тока, длительность протекания тока через тело человека, путь протекания, со­стояние кожи. По величине и действию тока на организм человека различают ток ощутимый и ток неотпускающий, при котором пострадавший не может самостоятельно разжать руку. Ощутимый ток - постоянный около 5-8 мА, переменный порядка 1 мА. Величина неотпускающего тока - порядка 15-30 А. Токи более 30 мА считаются опасными. Величина сопротивления тела человека в зависи­мости от внешних условий может меняться в широких пределах - от нескольких сотен Ом до десятков Ом. Особо резкое падение сопротивления проявляется при напряжении до 40-50 В, когда сопротивление тела чело­века снижается в десятки раз. Однако, при проведении расчетов на электробезопасность в сетях напряжением выше 50 В принято считать величину сопротивления тела человека 1000 Ом. Длительность протекания тока и величина допустимого тока связаны эмпирической формулой Чем меньше длительность протекания тока, тем больше величина допустимого тока. Если =16 мс, то величина допустимого тока 30 мА. Такая величина тока, определяет требования к изоляции. Так, например, для сети с фазным напряжением 220 В сопротивление изоляции должно быть не менее Ом. При поражении человека электрическим током следует немедленно отключить электроустановку. Если выключатель далеко, пострадавшего необходимо немед­ленно освободить от действия электрического тока, оттас­кивая его за одежду, либо оттолкнув его каким-либо токонепроводящим предметом (палкой, доской). Запрещается хватать пострадавшего голой рукой за оголенные участки тела. После освобождения пострадавшего от действия электрического тока следует немедленно вызвать меди­цинскую помощь. В случае необходимости до прибытия медицинской помощи пострадавшему делают искусственное дыхание или массаж сердца, уложив его на спину, на твердую по­верхность. Режимы нейтрали трехфазных электрических сетей и их влияние на уровень электробезопасности. Место соединения концов фаз источника питания (генератора, или трансформатора) называется нейтралью (точка N на рис. 44). Рис. 44. Прикосновение человека к фазному проводу Режимы нейтрали - заземленная нейтраль, изоли­рованная нейтраль, компенсированная нейтраль. Заземленная нейтраль Ток однофазного короткого замыкания в сети с за­земленной нейтралью достаточно велик и сопровождается возникновением дуги, что делает невозможным ис­пользование таких сетей в угольных шахтах и помещени­ях, опасных в отношении взрыва и пожара. Поэтому сети с заземленной нейтралью могут использоваться в помеще­ниях, не опасных в отношении взрыва и пожара. Защита от короткого замыкания осуществляется плавкими вставками или реле максимальной токовой защиты, что удешевляет эксплуатационные расходы. Напряжение поврежденной фазы при однофазном замыкании падает до 0, напряжения неповрежденных фаз меняются незначительно, поэтому нет повышенных требований к изоляции. На промышленных предприятиях используется наиболее распространенная система 220/380 В с зазем­ленной нейтралью. В случае прикосновения к фазному проводу, через тело человека будет протекать ток, что очень опасно. Прикосновение тела человека к фазному проводу в сети с заземленной нейтралью всегда опасно. А. Изолированная нейтраль При однофазном замыкании на землю в сети с изолированной нейтралью ток короткого замыкания оп­ределяется сопротивлением изоляции, которое, в свою очередь, определяется активным и емкостным сопротив­лением. При хорошем состоянии изоляции и небольшой длине кабелей (емкость кабеля невелика) сопротивление изоляции достаточно велико, ток однофазного замыкания небольшой - возможно возникновение искрения при от­сутствии дугового разряда, что делает возможным при­менение таких сетей во взрывоопасных и пожароопасных помещениях. Прикосновение к фазному проводу в сети с изоли­рованной нейтралью (рис. 45) может быть безопасным при хорошем состоянии изоляции, так как ток через тело чело­века определяется сопротивлением изоляции. Ток с одной из фаз проходит через тело человека, через сопротивление изоляции на другие фазы. В сети 220/380 В при сопротивлении изоляции 60 кОм ток через человека: мА, что безопасно. Рис. 45. Прикосновение человека к фазному проводу в сети с изолированной нейтралью При большой длине кабельных линий суммарная емкость сети увеличивается, сопротивление изоляции снижается, прикосновение человека к фазному проводу может стать опасным. Кроме того, в случае пробоя изоляции одной из фаз и прикосновении к другой фазе на тело человека воздействует линейное напряжение и в токовой цепи отсутствует сопротивление изоляции, что гораздо опаснее. Поэтому необходим непрерывный, контроль изоляции и немедленное отключение участка сети при пробое одной из фаз или опасном снижении сопротивлений. Компенсированная нейтраль Нейтральная точка соединяется землей (рис. 46) через индуктивное сопротивление , примерно равное емкостному сопротивлению изоляции , что приводит к образованию «электрической пробки», при которой емкостная проводимость сравнивается с проводимостью индуктивной. Поскольку они соединены параллельно, суммарная проводимость становится равной примерно нулю, а это соот­ветствует бесконечно большому сопротивлению. Величина тока, протекающего через тело человека при прикоснове­нии его к фазному проводу сети с компенсированной нейтралью, существенно уменьшается. Рис. 46. Компенсинрованая нейтраль Защитное заземление Защитным заземлением называется преднамерен­ное соединение с землей всех нетоковедущих металлических частей электроустановки, не находящихся под напряжением, но которые могут, оказаться под напряжением в результате пробоя изоляций. Следует различать рабочее заземление и защитное заземление. Рабочее заземление - соединение нейтрали с землей, определяющее режим заземленной нейтрали. Защитное заземление – соединение корпусов и других деталей с заземлителем. Заземлителями могут служить труба, уголковая сталь, швеллер, полосовая сталь, лист железа, помещенные во влажную землю (а также арматура железо­бетонных конструкций, стальные опоры ЛЭП к др.). Переходное сопротивление устройства заземления должно быть не более 2 Ом в подземных условиях уголь­ных шахт в помещениях с повышенной опасностью и осо­бо опасных. В других случаях не более 4 Ом на опорах ЛЭП не более 10 Ом. Соединение корпусов с заземлителем осуществля­ется стальным проводом, сечением не менее 24 мм, в земле стальной проволокой сечением примерно 50—120 мм, медным проводом сечением не более 25 мм. При соединении предпочтительнее сварка. Передвижные электроприемники заземляются че­рез заземляющую жилу кабеля, питающего электроуста­новку. Принцип действия защитного заземления - сни­жение напряжения прикосновения корпуса до безопас­ной величины за счет малого сопротивления заземлителя (рис. 47). Рис. 47. Принцип действия защитного заземления Напряжением прикосновения называется напряже­ние на какой-либо токопроводящий части электроустановки в момент прикосновения к ней человека. Напряжение при­косновения обусловливает величину тока через тело чело­века. В аварийных ситуациях это напряжение может быть опасным. Для снижения напряжения прикосновения необходимо обеспечить эффективное заземление или зануление электроустановки. При малом сопротивлении заземления (R3 = 2 Ом) напряжение на корпусе электроаппарата в случае пробоя изоляции будет невелико, большая часть тока замыкания пойдет через заземлитель, а не через тело человека (R4 = 1000 Ом), включенного параллельно сопротивлению заземления. Защитное заземление. Принцип действия Занулением называется преднамеренное электри­ческое соединение металлических нетоковедущих частей электроустановок с нулевым, многократно заземленным проводом. Нулевой защитный провод имеет сечение в два раза меньшее, чем нулевой рабочий провод. Нулевой рабо­чий провод используется в 4-проводных сетях с несиммет­ричной нагрузкой (например, бытовой). Назначение защитного зануления - устранение опасности поражения током в случае прикосновения к корпусу, оказавшемуся под напряжением. Принцип действия - превращение замыкания на корпус в однофазное, короткое замыкание и отключение его максимальной токовой защитой (плавкими вставками, автоматами и др). Зануление осуществляет 2 защитных действия: 1. быстрое автоматическое отключение поврежденного участка, 2. снижение напряжения прикосновения за счет заземления. Область применения - трехфазные четырехпроводных сетей до 1000 В с глухозаземленной нейтралью, в однофазных двухпроводных сетях переменного тока; в трехпроводных сетях постоянного тока - с глухозаземленной средней точкой. Для схемы зануления необходимы: нулевой защит­ный проводник, глухое заземление нейтрали и повторное заземление нулевого защитного провода (рис. 48). Нулевой защитный провод снижает сопротивление цепи короткого замыкания и обеспечивает тем самым дос­таточно большой ток замыкания для надежного срабаты­вания максимальной токовой защиты. Глухое заземление нейтрали обеспечивает малое напряжение прикосновения. Повторное заземление нейтрали обеспечивает ма­лое напряжение прикосновения для удаленных электро­приемников. Рис. 48. Защитное зануление Защитное отключение. Принцип действия Назначение защитного отключения - обеспечение автоматического отключения электроустановки при воз­никновения в ней опасности поражения человека током. Меры защиты - быстрое отключение участка сети. Устройство защитного отключения (УЗО) включает в себя прибор защитного отключения и исполнительный орган – автоматический выключатель. Прибор защитного отключения – совокупность от­дельных элементов, которые воспринимают входную ве­личину, реагируют на ее изменение и при заданном ее значении дают сигнал на отключение выключателя. Исполнительный орган – автоматический выключатель. УЗО применяются в электроустановках, где по ка­ким-либо причинам трудно обеспечить эффективное за­земление или зануление, где высока вероятность прикос­новения людей к токоведущим частям (передвижные элек­троустановки, ручной электроинструмент). УЗО делятся на следующие типы, реагирующие на: • потенциал корпуса, • ток замыкания на землю, нулевой последовательности, • напряжение фазы относительно земли, • оперативный ток, • комбинационные устройства. Устройства, реагирующие на потенциал корпуса Рис. 49. УЗО с реле напряжения Рис. 50. УЗО с предохранителем При возникновении опасных напряжений на корпусе электроустановки срабатывает реле напряжения РН (рис. 49), включенное между корпусом и землей, размыка­ет свой нормально замкнутый контакт РН в цели питания отключающей катушки ОК, которая отключает электроус­тановку от сети. В другом варианте (рис. 50) при появлении опасно­го напряжения в корпусе электроустановки срабатывает реле напряжения РН, замыкает свой контакт, вызывая ко­роткое замыкание и перегорание предохранителя, обесто­чивая тем самым электроустановку. Рис. 51. УЗО с реле тока Устройства, реагирующие на ток замыкания на землю При возникновении опасных напряжений на корпу­се электроустановок (рис. 51) возникает ток утечки, срабаты­вает реле тока РТ, включенное между корпусом и землей, размыкает свой нормально замк­нутый контакт в цепи питания отключающей катушки ОК, которая отключает электроус­тановку от сети. Рис. 52. УЗО, реагирующее на напряжение нулевой последовательности Снижение сопротивления или пробой изоляции одной из фаз является причиной возникновения несимметричного режима токов и напряжений, появляется на­пряжение нулевой последовательности, которое можно использовать для отключения электроустановки. Реле напряжения РН включается между землей и нулевой точкой, образованной либо тремя большими сопротивлениями, либо тремя конденсаторами. Если вторичные обмотки трансформатора вклю­чить последовательно, то реле напряжения РН, включенное в такую цепь, будет реагировать на напряже­ние нулевой последовательности, возникающее при не­симметричном режиме. Рис 53. УЗО, реагирующие на ток нулевой последовательности Во вторичной обмотке трансформатора тока, охваты­вающего своим магнитопроводом все три фазы кабеля (рис. 53), протекает сумма то­ков фаз А, В и С, с учетом ко­эффициента трансформации. В симметричном ре­жиме ток отсутствует, так как . В несимметричном режиме (снижение или пробой изоляции) возникает ток нулевой последовательности, срабатывает реле тока РТ, подается команда на отключе­ние электроустановки. Шаговое напряжение Шаговым напряжением называется, разность по­тенциалов на расстоянии одного шага φ1 – φ2 (рис. 54) на поверхности грунта вблизи заземлителя в момент протека­ния тока короткого замыкания. При больших токах корот­кого замыкания эта напряжение может быть опасным для человека. Для защиты от поражения шаговым напряжением устраивают заземляющий контур из большого числа заземлителей, близко расположенных друг от друга. При обнаружении воздействия шагового напряжения необходимо удаляться от электроустановки мелкими шагами. Рис. 54. Возникновение шаговых напряжений Взрывобезопасное и искробезопасное электрооборудование При коммутации электрических цепей (включении, выключении электроприемников) возникает либо искровой разряд, либо дуга между расходящимися контактами. Во взрывоопасной атмосфере (в угольной шахте - метан, угольная пыль) может произойти взрыв. Для исключения такой возможности коммутационные аппараты помещают во взрывобезовасвую оболочку. Взрывобезопасность обеспечивается мощным корпусом, способным выдержать взрыв внутри оболочки с выходом продуктов горения че­рез щелевой лабиринт. На корпусе электрооборудования выбивается буква В. Например, РВ - исполнение рудничное, взрывобезопасное. Искробезопасноеть цепей управления достигается использованием пониженных напряжений (18, 36 В), сни­жением величины тока в цепях управления - вторичная обмотка понижающего трансформатора выполняется высокоомным проводом. Энергия искры, которая образуется при размыкании контактов, должна быть меньше, чем необходимая для развития взрывной реакции. На корпусах приборов в этом случае выбивается бу­ква И - искробезопасное исполнение. В силовых кабельных сетях используют опере­жающее защитное отключение, т.е. до того, как возникнет дуговой разряд, напряжение на этом участке сети должно быть снято мгновенным закорачиванием тиристорными ключами всех трех фаз друг на друга как со стороны ис­точника питания, так и со стороны двигателя. Контроль изоляции электрических сетей. Реле утечки. Однофазное короткое замыкание в сети с изоли­рованной нейтралью может остаться незамеченным, по­скольку ток замыкания небольшой. Однако, незамечен­ное и вовремя не отключенное однофазное замыкание может перерасти в двух- и трехфазное замыкание с ду­говым разрядом и взрывом пылегазовой смеси (угольные шахты). Кроме того, человек, прикоснувшийся к одной из фаз при наличии пробоя изоляции в другой фазе, попадает под воздействие линейного напряжения с тяжелыми последствиями. Поэтому работа в сетях с изолированной нейтра­лью допускается только при наличие непрерывного кон­троля изоляции и немедленного отключения электроуста­новки при снижении сопротивления изоляции фазы или ее пробоя. Контроль изоляции осуществляется блокировоч­ными реле утечки (БРУ), устройствами автоматического контроля изоляция (УАКИ), реле утечки (РУ). Принцип действия РУ, БРУ, УАКИ основан на кон­троле величины оперативного тока, протекающего через сопротивление изоляции. БРУ встроено в пускатель и не дает возможности включить пускатель, если ток утечки больше нормы (сле­довательно, сопротивление изоляции ниже нормы). При включенном пускателе, БРУ отключено, сопротивление изоляции не контролируется. УАКИ содержит двухобмоточное реле, по одной обмотке которого протекает оперативный ток собствен­ного источника питания, в другой — ток утечки, завися­щий от состояния сопротивления изоляции. В двухобмоточном реле эти токи создают магнитодвижущие силы, направленные встречно. При достижении разностного маг­нитного потока уставки срабатывания реле УАКИ дает ко­манду на отключение автоматического фидерного выклю­чателя АФВ. Реле утечки РУ имеет большую чувствительность, чем реле УАКИ. Категории помещений в отношении электробезопасности. С точки зрения опасности поражения людей элек­трическим током определены 3 класса помещений: • без повышенной опасности; • с повышенной опасностью; • особо опасные. К помещениям без повышенной опасности отно­сятся сухие помещения (относительная влажность < 60%), влажные (длительно влажность < 75%), с токонепроводящими полами, с токопроводящей пылью, нежаркие (t < 30°), без возможного прикосновения к металличе­ским частям здания и одновременно к корпусам элек­трооборудования. К помещениям с повышенной опасностью относят­ся сырые помещения (влажность > 75%), с токопроводящими полами, с токопроводящей пылью, жаркие (t > 30°С), с возможностью прикосновения к металлическим частям здания и одновременно к корпусам электрооборудования. К особо опасным помещениям относятся сырые (влажность 100%), с химически активной средой, если имеются одновременно два или более условий из перечис­ленных для помещений с повышенной опасностью. Большая часть помещений на производстве отно­сится к последним двум. Требования к переносному электроинструменту. К работе с электроинструментом допускается пер­сонал с группой 2 и выше. При проведении работ в помещениях с повышен­ной опасностью и особо опасных применяются светиль­ники напряжением не выше 42 В. Если условия особо не­благоприятные - 12 В. Нельзя использовать автотранс­форматоры. Перед началом работ следует проверить комплект­ность, произвести внешний осмотр, проверить четкость работы выключателя, проверить работу на холостом ходу. Прикосновение проводов и кабелей к металличе­ским горячим или влажным поверхностям не допускается. Запрещается передавать электроинструмент дру­гим лицам, разбирать и производить ремонт, оставлять включенными в электросеть без надзора. Категории работ в отношении электробезопасности. Технические мероприятия при подготовке работ. Все работы в электроустановках по степени опас­ности разделены да 4 группы: выполняемые при полном снятии напряжения, при частичном снятии напряжения, на токоведущих частях, находящихся под напряжением или вблизи них; без снятия напряжения вдали от токоведущих частей, находящихся под напряжением. К первой группе относится работа в электроуста­новках, где со всех токоведущих частей снято напряжение и где нет незапертого входа в соседнюю электроустановку, находящуюся под напряжением. Ко второй группе относится работа в электроуста­новке, где напряжение снято только с того присоединения, на котором ведется работа или оно снято полностью, но открыт доступ в соседнее помещение, где токоведущие части находятся под напряжением. К третьей группе относится работа, выполняемая непосредственно на токоведущих частях, находящихся под напряжением или вблизи от них. Данные работы выпол­няются только при наличии острой производственной не­обходимости, а также при измерениях токов и напряжений. К четвертой группе относится работа в электроус­тановке, при которой исключено случайное приближение работающих людей и инструмента к токоведущим частям на опасное расстояние. Для обеспечения безопасности работающих требу­ется выполнение технических и организационных меро­приятий. Технические мероприятия осуществляют при проведений работ с полным или частичным снятием на­пряжения. Подготовку рабочего места осуществляют в сле­дующем порядке: • отключают необходимые токоведущие части и принимают меры, исключающие ошибочную по­дачу напряжения; • на отключенных коммутационных аппаратах вывешивают запрещающие плакаты: «Не вклю­чать - работают люди», «Не включать – работа на линии»; • ограждают неотключенные токоведущие части; • к заземляющему устройству присоединяют зажим переносного заземления; • проверяют отсутствие напряжения на отключенной части установки, накладывают переносное заземление или включают заземляющие ножи. Рабочее место ограждают переносными ограждениями и взвешивают предостерегающие плакаты: «Стой – высокое напряжение», «Работать здесь», «Не влезай — убьет!». Нарушение последовательности перечисленных операций может стать причиной несчастного случая. Группы по электробезопасности персонала, обслуживающего электроустановки 1-я группа - неэлектротехнический персонал. Стаж работы не нормируется. 2-я группа - неэлектротехнический персонал со стажем работы 2 месяца или административно-технический персонал, не имеющий среднего образования, со стажем работы 1 месяц, то же со средним образованием. 3-я группа - неэлектротехнический персонал со стажем работы 12 месяцев или административно-технический, дежурный, оперативно-ремонтный и ремонтный персонал, не имеющий среднего образования, со стажем работы 2 месяца в предыдущей группе, то же со средним образованием. 4-я группа - административно-технический, де­журный, оперативно-ремонтный и ремонтный персонал, не имеющий среднего образования, со стажем работы 6 меся­цев в предыдущей группе, со средним образованием 3 месяцев предыдущей группе. 5-я группа - административно-технический, дежурный, оперативно-ремонтный и ремонтный персо­нал, не имеющий среднего образования, со стажем рабо­ты 24 месяца в предыдущей группе, со средним образо­ванием 12 месяца в предыдущей группе. Порядок действий и меры безопасности при напряжении заземлителей Отсутствие напряжения проверяется указателем напряжения, исправность которого веред применением должна быть установлена с помощью специальных при­боров. В электроустановках выше 1000 В пользоваться указателем напряжения необходимо в диэлектрических перчатках. В электроустановках 35 кВ и выше для провер­ки напряжения можно пользоваться изолирующей штангой (нет искрения — нет напряжения). Обслуживающий персонал, работающий в электроустановках до 1000 В, должен иметь группу 3, выше 1000 В - группу 4. Устанавливать заземление на токоведущие части необходимо непосредственно после проверки отсутствия напряжения. Переносное заземление сначала присоединить к заземляющему устройству, а затем, после проверки от­сутствия напряжения, установить на токоведущие части. Снимать переносное заземление следует в обрат­ном порядке. Установка и снятие переносных заземлителей должны выполняться в диэлектрических перчатках, в установках свыше 1000 В используется изолирующая штанга. Тесты к разделу «Электрические цепи» 1. Каким должно быть сопротивление вольтметра, чтобы он не влиял на режим работы цепи? а) ; б) ; в). 2. Какое из приведенных уравнений не соответствует рисунку? а) ; б); в) ; г) . 3. Два источника имеют одинаковые ЭДС и токи, но различные внутренние сопротивления. Какой из источников имеет больший КПД? а) КПД источников равны; б) с меньшим внутренним сопротивлением; в) с большим внутренним сопротивлением. 4. Какая из формул для определения количества теплоты выделяющейся в проводнике является наиболее универсальной? а) ; б) ; в) ; г) . 5. Какой из проводов одинаковой длины из одного материала, но разного диаметра сильнее нагревается при одном и том же токе? а) оба провода нагреваются одинаково; б) сильнее нагревается провод с большим диаметром; в) сильнее нагревается провод с меньшим диаметром. 6. Являются ли контурные токи реальными токами ветвей? а) да; б) нет; в) это зависит от расположения ветви (внешнее или внутреннее). 7. На сколько сокращается число уравнений при использовании метода контурных токов? а) на число узлов в схеме; б) на число независимых контуров в схеме; в) на число узлов в схеме без одного; г) на число независимых контуров в схеме без одного. 8. Как выбирается направление контурных токов? а) по часовой стрелке; б) против часовой стрелке; в) произвольно. 9. Какую из приведенных формул можно использовать для определения мощности нелинейного элемента? а) ; б) ; в) ; г) все три. 10. Как связана частота вращения вектора, изображающего синусоидальную величину, с ее угловой скоростью ω? а) они независимы; б) частота вращения вектора пропорциональна ω; в) частота вращения вектора равна ω. 11. ЭДС индукции в катушке достигает максимума, когда ток проходит через а) максимум; б) нулевое значение. 12. Укажите параметр переменного тока, от которого зависит индуктивное сопротивление катушки а) действующее значение U; б) фаза напряжения ψ; в) период переменного тока Т. 13. Как изменится сдвиг фаз φ между напряжением и током, если R и XL цепи увеличатся в 2 раза? а) уменьшится в 2 раза; б) останется неизменным; в) увеличится в 2 раза. 14. Каким будет мгновенное значение напряжения на конденсаторе при максимальном значении тока? а) максимальным; б) равным нулю; в) напряжение uC зависит от XC. 15. Как изменится резонансная частота колебательного контура, если емкость увеличится в 4 раза? а) увеличится в 4 раза; б) уменьшится в 4 раза; в) уменьшится в 2 раза; г) увеличится в 2 раза. 16. Сколько соединительных проводов подводят к генератору, обмотки которого образуют звезду? а) 6; б) 3 или 4; в) 3; г) 4. 17. Чему равен ток в нулевом проводе при симметричной трехфазной системе токов? а) нулю; б) значению меньшему суммы действующих значений фазных токов; в) отсутствует. 18. Симметричная нагрузка соединена звездой. Линейное напряжение 380 В. Определить фазное напряжение. а) 380 В; б) 250 В; в) 220 В; г) 127 В. 19. Линейное напряжение 380 В. Определить фазное напряжение, если симметричная нагрузка соединена треугольником. а) 380 В; б) 220 В; в) 127 В; г) 660 В. 20. В симметричной трехфазной цепи фазное напряжение равно 220 В, фазный ток 5 А, . Определите активную мощность. а) 0,88 кВт; б) 1,1 кВт; в) 2,64 кВт. Контрольные вопросы к разделу «Электрические цепи» 1. Чему равно эквивалентное сопротивление цепи с последовательно включенными резисторами? 2. Как определить для параллельного соединения эквивалентное сопротивление и проводимость? 3. Какое сопротивление резисторов называется смешанным? 4. Как определить для смешанного сопротивления эквивалентное сопротивление? 5. Что называется емкостным и индуктивным сопротивлением, и от чего они зависят? 6. Как вычисляется полное сопротивление неразветвленной цепи переменного синусоидального тока? 7. Как вычисляется действующее значение тока в цепи с последовательным соединением резистивного, индуктивного и емкостного элементов? 8. При каком условии возникает резонанс напряжений в цепи переменного синусоидального тока? 9. Каким должно быть соотношение реактивных проводимостей катушки и конденсатора, чтобы ток в общей цепи опережал напряжение? 10. Каково условие резонанса токов? 11. Объяснить способы соединения звездой и треугольником. 12. Какая нагрузка называется симметричной, равномерной и несимметричной? 13. Какие напряжения и токи называются линейными и фазными? Их соотношение при соединении звездой и треугольником. 14. Объяснить построение векторных диаграмм при соединении звездой и треугольником. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ Электрические машины относятся к электротехни­ческим устройствам, служащим как для преобразования электрической энергии (трансформатор), так и для привода в действие различных промышленных и бытовых меха­низмов. 1. Трансформатор Основным преобразовательным устройством явля­ется трансформатор. Трансформатором называется элек­тротехническое устройство, служащее для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты. Трансформаторы делятся по назначению: силовые, специальные, измерительные и радиотехнические. К сило­вым, относятся трансформаторы, передающие потребителю электрическую энергию, к специальным - сварочные и вы­прямительные, к измерительным - трансформаторы тока и напряжения, служащие для подключения электроизмери­тельных приборов, к радиотехническим - маломощные трансформаторы и трансформаторы, работающие на по­вышенной частоте. Кроме этого, они делятся по роду тока на однофазные и трехфазные и по способу охлаждения – на масляные, сухие и с твердым наполнителем. Конструкция трансформатора состоит из двух основных частей - магнитопровода и обмоток. Магнитопровод набирается из тонких листов электротехнической стали, изолированных друг от друга. Часть магнитопровода, на котором располагается обмотка, называется стерж­нем, а часть, замыкающая стержни, ярмом. По своему устройству магнитопровод подразделяется на П-образный и Ш-образный. Обмотка трансформатора наматывается медным изолированным проводом с дополнительной изоляцией между слоями. Обмотка трансформатора с большим чис­лом витков называется обмоткой высшего напряжения (ВН), а с меньшим - низшего (НН). Принцип работы трансформатора рассмотрим на примере однофазного трансформатора, схематически представляющего собой магнитопровод с двумя обмотка­ми W1 и W2 (рис. 55). При подключении первичной об­мотки к источнику синусоидального напряжения по обмотке течет ток , создающий намагничивающую силу под действием которой возникает магнитный поток . По закону электромагнитной индукции во вторич­ной цепи индуцируется электродвижущаяся сила. ЭДС отстает от магнитного потока на угол 90°, а действующее значение , где – частота сети; . Аналогичная ЭДС воз­никает и в первичной обмотке, так как магнитный поток про­низывает витки и первичной обмотки. Поэтому отношение будет определять коэффициент трансформации по на­пряжению: если - трансформатор понижающий; – повышающий; – разделительный. Рис. 55. Упрощенная схема однофазного трансформатора Изображение трансформатора на электрической схеме приведено на рис. 56. Рис. 56. Изображение трансформатора на схемах. В работе трансформатора можно выделить три ре­жима: холостого хода, когда вторичная обмотка разомкну­та, короткого замыкания, когда вторичная обмотка замк­нута накоротко, и рабочий режим под нагрузкой. В режиме холостого хода , , ток в первичной обмотке , сопротивление. Ток составляет 3-10% номинального (рабочего) тока трансформатора . Ввиду малости первичного тока потери мощности в первичной катушке составляют не более одного процента от номинальной мощности трансформатора и их можно принять равными нулю так же, как и во вторичной ,. В режиме холостого хода потери мощности наблю­даются только в магнитопроводе и связаны с перемагничиванием и вихревыми токами, определяемыми магнитным материалом . Если первичное напряжение не изменяется, то по­тери в стали постоянны и пропорциональны значению магнитной индукции В в степени угла магнитного запаз­дывания . Значение угла составляет 5-10 электрических градусов. В этом случае , тогда параметры холостого хода определяют параметры магнитной системы: ; ; . Векторная диаграмма в режиме холостого хода (рис. 57) может быть построена на основании уравнения для первичной обмотки: Рис. 57. Векторная диаграмма трансформатора в режиме холостого хода Режим короткого замыкания для трансформатора является аварийным, так как при U2 = 0 и Zн = 0 ток в пер­вичной обмотке будет в 15-20 раз больше тока номиналь­ного рабочего режима. Поэтому опыт короткого замыка­ния производят только с целью определения параметров первичной и вторичной обмоток при .Опыт про­изводят при условии I2к = I2н, тогда I1к = I1н и . Напряжение короткого замыкания для первичной обмотки задается в паспортных данных трансформатора в процен­тах от номинального напряжения и составляет примерно 5 % для трансформаторов с масля­ным охлаждением и 2-2,5 % для трансформаторов с воз­душным охлаждением. Так как напряжение короткого замыкания в пер­вичной обмотке во "много раз меньше номинального, то и . Потери в стали, будут стре­миться к нулю. Мощность при коротком замыкании рассеивается только в обмотках трансформатора и идет на нагрев меди в них, . Общее сопротивление короткого замыкания ZK3 оп­ределится из отношения ; ; . Векторная диаграмма трансформатора в режиме короткого замыкания (рис. 58) имеет вид в соответствии с уравнением: . Для составления схемы замещения и удобства рас­чета рабочих режимов используют метод приведения па­раметров вторичной обмотки трансформатора к первич­ной. Тогда, где – число витков обмотки при­веденного трансформатора; ; . Рис. 58. Векторная диаграмма трансформа­тора в режиме короткого замыкания Условием приведения является постоянство энер­гетических характеристик (мощности и потерь) и Тогда, . Для расчетов режимов работы трансформатора ис­пользуют Т-образную (рис. 59 а) и Г-образную (рис.59 б) схемы замещения. Уравнения цепи для Т-схемы имеют вид: ; ; . Рабочие свойства трансформатора в нагрузочном режиме характеризуются зависимостями вторичного на­пряжения U2 от тока во вторичной обмотке I2 и КПД от ко­эффициента загрузки р. Зависимость напряжения от тока называется нагру­зочной или внешней характеристикой (рис. 60 а). Кривая 1 (рис. 60 а) соответствует режиму емкостной нагрузки, , кривая 2 - активной нагрузке, , кривая 3 -индуктивной нагрузке, . Рис. 59. Схемы замещения трансформатора а б Рис. 60. Нагрузочные (а) и рабочие (б) характеристики трансформатора Максимальный коэффициент полезного действия трансформатора составляет 0,98 и находится из соотно­шения полезной мощности на нагрузке к мощности, по­требляемой из сети: , . где - коэффициент загрузки трансформатора; S -полная мощность трансформатора. Из графика (рис. 60 б) видно, что потери в стали Рст не зависят от нагрузки и являются постоянными. Потери в меди Рм обмоток растут и изменяются по нелинейному за­кону. Коэффициент полезного действия имеет максималь­ное значение при равенстве указанных потерь и коэффици­енте загрузки, равном 0,6. 2. Асинхронный двигатель Асинхронный двигатель наиболее распространен в качестве электропривода различных механизмов благодаря своей простоте и надежности. Более 60 % всей вырабаты­ваемой в мире энергии преобразуется в механическую, в основном, с помощью асинхронных двигателей. Созданы они были 100 лет назад русским ученым М.О. Доливо-Добровольским. В настоящее время по международному стандарту разработана единая унифицированная серия асинхронных двигателей АИ и 5А. Мощность двигателей колеблется от десятков ватт до сотен киловатт. Асинхронный двигатель изготавливается в одно­фазном, двухфазном и трехфазном исполнении. Асинхронный двигатель состоит из статора и ро­тора. Статор представляет собой литой корпус (стальной или чугунный) цилиндрической формы. Внутри статора располагается магнитопровод с вырубленными пазами, в которые укладывается статорная обмотка. Концы обмоток выводятся в клеммную коробку и могут быть соединены как треугольником, так и звездой. Корпус статора с торцов закрыт подшипниковыми щитами, в которые запрессовы­ваются подшипники вала ротора. Ротор состоит из сталь­ного вала с напрессованным на него магнитопроводом. По конструкции роторов двигатели делятся на две группы. Первая с короткозамкнутым ротором и вторая с фазным. У двигателя с короткозамкнутым ротором в пазы заливаются алюминиевые стержни и накоротко замыка­ются по торцам. У фазового ротора имеется три обмотки, соединенные в звезду. Выводы обмоток присоединены к кольцам, закрепленным на валу. К кольцам при пуске прижимаются неподвижные щетки, к которым подключа­ются сопротивления. В начальный момент пуска ротор на­ходится в заторможенном состоянии, затем сопротивление уменьшается и двигатель плавно запускается, что позволя­ет снизить пусковой ток. К обмоткам статора подводится трехфазное на­пряжение, а ротор вращается посредством вра­щающегося магнитного поля, создаваемого системой трехфазного тока. Рассмотрим вращающееся поле переменного тока трехфазной цепи короткозамкнутого асинхронного двига­теля с тремя обмотками, сдвинутыми по окружности на 120° и соединенными звездой (рис. 61). Обмотки статора питаются симметричным трехфаз­ным напряжением. Начальную фазу тока в обмотке при­нимаем равной нулю. Тогда: В момент времени t, Ia > 0, iB, iC < 0- Если ток фазы А положителен, т.е. течет от начала к концу, то, пользуясь правилом правого ходового винта, можно найти картину рас­пределения магнитного поля для времени t. В момент времени t вектор результирующей маг­нитной индукции Вт развернется на угол и далее по ча­совой стрелке с периодом обращения 360°. Для данного примера угол = 60°. Таким образом, магнитная индукция представляет собой вращающееся поле с амплитудой (рис. 62). За период поле делает один оборот, , где (где ( f = 50 Гц), и является промышленной частотой питающего переменного напря­жения и тока. Рис. 61. Трехфазная система токов При синусоидальном характере вращающегося по­ля его скорость равна отношению , (где – число пар полюсов) В рассматриваемом примере = 1 и частота вращения равна соответственно 3000 оборотов в минуту. Если число катушек в каждой фазе увеличить в два раза, а сдвиг фаз между токами сохранить 120°, то частота враще­ния уменьшится в два раза за счет увеличения числа пар полюсов. Особенностью короткозамкнутого асинхронного двигателя является наличие постоянной частоты вращения поля статора, определяемой числом пар полюсов. Рис. 62. Получение вращающегося магнитного поля статора Если поменять местами любые две фазы, то воз­никнет поле обратной последовательности и ротор начнет вращаться в другую сторону. Еще одной особенностью асинхронных двигателей является разность частоты вра­щения полей статора n0 и ротора п, что делает возможным их электромагнитное взаимодействие. При этом поле ро­тора будет как бы скользить относительно поля статора, где s - скольжение, при номинальной мощности двигателя скольжение составляет 0,01-0,03. Основное вращающееся магнитное поле индуциру­ет в обмотках статора и ротора ЭДС, аналогично транс­форматору, так как при разомкнутом роторе асинхронный двигатель представляет собой трансформатор в режиме холостого хода, ; , где индекс 1 относится к параметрам статора, а 2 - к пара­метрам ротора; – обмоточные коэффициенты, опреде­ляемые способом укладки обмоток (петлевая или волно­вая). = 0,92 – 0,98; E2s = E2s; Е2 – действующее значение ЭДС неподвижного ротора при s = 1, f2 = f1s. В асинхронном двигателе кроме основного маг­нитного потока создаются потоки рассеяния. Один охва­тывает проводники статора, другой - ротора. Потоки рас­сеяния характеризуются соответствующими индуктивны­ми сопротивлениями Х1 и Х2. Уравнения электрического состояния фаз обмоток статора и ротора: . Потери делятся на потери в статоре и в роторе. По­тери в статоре состоят из электрических потерь в обмотке Роб и потерь в стали Рст, а потери в роторе из электриче­ских Рэл и механических Рмех плюс добавочные потери на трение и вентиляцию Рдоб. ; ; , где К = 2,9-3,6 определяется диаметром статора D. Потери в стали в рабочем режиме во много раз меньше электрических потерь в роторе и ими обычно пренебрегают. КПД асинхронного двигателя составляет от 0,75 до 0,95. Вращающий электромагнитный момент двигателя в соответствии с законом электромагнитных сил , где См - конструктивная постоянная; ( - фазовый сдвиг между током и магнитным потокам. Рис. 63. Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя Отношение максимального момента Ммах к номи­нальному Мн определяет перегрузочную способность дви­гателя и составтает 2,6-2,2 (дается в каталожных данных). Максимальный момент соответствует критическому скольжению sK, определяемому активными и индуктивны­ми сопротивлениями двигателя, и пропорционально актив­ному сопротивлению цепи ротора. Рабочий момент двигателя пропорционален квад­рату напряжения, что необходимо учитывать при вклю­чении двигателя в протяженных распределительных сетях. Номинальному моменту соответствует номинальное скольжение, а пусковому – sn. Зависимость момента двигателя от скольжения M=f(s) приведена на рис. 64. На участке от 0 до Ммах двигатель работает в ус­тойчивом режиме, а участок от sK называется режимом оп­рокидывания двигателя, при котором двигатель в резуль­тате перегрузки останавливается и не может вернуться в рабочий режим без очередного запуска. Пусковые свойства двигателя определяются соотношением пускового момента МП и номинального, в соответствии с каталожными дан­ными оно составляет 1,6-1,7. При пуске асинхронного двигателя очень мал и пусковой ток в обмотке стато­ра может возрастать в 5-7 раз по сравнению с номиналь­ным. Ограничение его осуществляется изменением часто­ты питающего напряжения для двигателя с короткозамкнутым ротором и увеличением активного сопротивления в цепи ротора для двигателя с фазовым ротором. Рис. 64. Зависимость момента двигателя от скольжения Для механизмов, имеющих тяжелые условия пуска, где желательно использовать асинхронный двигатель с коротко-замкнутым ротором, применяются двигатели с улуч­шенными пусковыми свойствами: с большим пусковым моментом и меньшим пусковым током, чем у двигателей общего назначения. Зависимость скорости вращения от нагрузки на ва­лу двигателя называется механической характеристикой асинхронного двигателя, рис 65. Участок АВ механической характеристики соот­ветствует устойчивому режиму работы асинхронного дви­гателя. Увеличение нагрузки (тормозного момента) ведет к некоторому снижению частоты вращения ротора, что вы­зывает увеличение вращающего момента. При превыше­нии тормозным моментом критического двигатель останавливается. Рис. 65. Механическая характеристика асинхронного двигателя Точка В на графике соответствует точке кри­тического или опрокидывающего момента. Регулирование частоты вращения может быть осу­ществлено тремя способами: изменением частоты питаю­щего напряжения, переключением числа пар полюсов и изменением скольжения. Для регулирования частоты вращения двигателей с короткозамкнутым ротором в настоящее время широко используются частотные преобразователи с микропроцес­сорным управлением. Тормозные режимы возникают в машине при оп­ределенных условиях или создаются искусственно с целью ускорения процесса остановки двигателя. Торможение может быть: • генераторное с отдачей энергии в сеть, • противовключением • динамическое. Генераторным тормозным режимом называется режим работы двигателя, когда под действием внешнего момента ротор двигателя вращается в том же направлении, что и магнитное поле, но с большей скоростью. Тормозной режим противовключения возникает в том случае, когда под действием внешнего момента, приложенного к валу двигателя, ротор вращается в противо­положную сторону относительно вращающеюся магнит­ного поля. Динамический тормозной режим получается при отключении обмотки статора от сети трехфазного тока и подключении ее на время торможения к источнику энергии постоянного тока. Рабочими характеристиками асинхронного двига­теля являются зависимости от мощности на валу Р2 таких параметров, как момент, частота вращения, ток статора, КПД и (рис. 66). Рис. 66. Рабочие характеристики асинхронного двигателя Анализ характеристик показывает, что частота вращения ротора падает с увеличением нагрузки, а момент пропорционален ей. Ток статора изменяется по нелиней­ному закону, что связано с магнитной системой двигателя и при Рн=0 определяется током холостого хода, состав­ляющего до 40% его номинального значения. Расчетные формулы для выбора двигателя имеют вид: ; ; . Выбор двигателя по каталогу осуществляется сле­дующим образом. По заданному моменту рабочего механизма и частоте вращения определяется необходимая мощность. После этого определяются условия окружаю­щей среды, выбирается исполнение по типу монтажа и вы­соте оси рабочего вала двигателя. Зная эти параметры, по каталогу проверяются необходимая перегрузочная способ­ность, КПД, масса и момент инерции. Для шахтных условий используются двигатели взрывозащищенного исполнения, для крановых механиз­мов - двигатели с повышенным скольжением и т.д. В бытовых приборах используются однофазные двигатели. Однофазный двигатель отличается от трех­фазного тем, что его статорная обмотка подключается к однофазному источнику питания. Ротор выполняется короткозамкнутым. На статоре размещается две обмотки, оси которых смещены друг относительно друга на 90 электрических градусов. Одна называется рабочей, а дру­гая пусковой. В системах управления используются двигатели, в которых одна из обмоток статора постоянно подключена к сети переменного тока (обмотка возбуждения), а ко второй (обмотка управления) подводится напряжение управления. Такие двигатели относятся к классу микромашин. Микромашины используются также в информаци­онных системах, где они выполняют функции первичных преобразователей для вычислительных операций в систе­мах автоматики и телемеханики. Одним из примеров является сельсин, предназна­ченный для передачи на расстояние угловых перемещений валов, механически не связанных друг с другом. По конст­рукции сельсины делятся на контактные и бесконтактные. Контактные сельсины выполняются в двух вариантах. В одном обмотка возбуждения располагается на. роторе, а трехфазная обмотка, называемая обмоткой синхронизации, в пазах статора. В другом варианте наоборот. При вклю­чении обмотки возбуждения сельсина на однофазное на­пряжение ток создает пульсирующее магнитное поле, которое индуцирует в каждой фазе обмотки, синхронизации переменную ЭДС. Действующее значение ЭДС каждой фазы зависит от расположения осей этих фаз относительно оси потока возбуждения. В простейшем случае схема дистанционной передачи угловых перемещений состоит из двух, одинаковых сель­синов, у которых одноименные зажимы обмоток син­хронизации соединены проводами линии связи, а на об­мотки возбуждения подается напряжение сети. Одни из сельсинов называют сельсин-датчиками другой – сельсин-приемником. 3. Синхронная машина Синхронные машины используются в качестве ис­точников электрической энергии (генераторов), электро­двигателей и синхронных компенсаторов. Синхронные генераторы гидроэлектростанций вращаются с помощью гидротурбин и носят название гид­рогенераторов. Кроме электростанций синхронные генера­торы находят применение в установках, требующих авто­номного источника питания. Синхронные двигатели переменного тока исполь­зуется с механизмами средней и большой мощности при редких пусках, требующими постоянного рабочего момен­та. К таким механизмам относятся компрессоры, вентиля­торы, насосы и т.д. Синхронный компенсатор предназначается для улучшения коэффициента мощности электротехнических установок (компенсации индуктивной реактивной мощ­ности). Конструктивно синхронная машина состоит из ста­тора и ротора. Статор аналогичен статору асинхронной машины, а ротор представляет собой постоянный магнит, поле которого создается обмоткой возбуждения, по которой пропускается постоянный ток. Питание обмотки воз­буждения осуществляется через скользящий контакт меж­ду контактными кольцами и неподвижными щетками. Особенностью синхронной машины является возможность работы как в режиме двигателя, так и в режиме генератора. Частота ЭДС переменного тока в синхронной ма­шине зависит от частоты вращения ротора и числа пар по­люсов, . Действующее значение ЭДС, индуци­руемой в проводниках, . Взаимодействие вращающегося поля статора и по­ля постоянного магнита ротора вызывает появление вра­щающего момента, вследствие чего ротор вращается в том же направлении, что и поле статора. Скольжение синхронной машины равно нулю. Схема замещения синхронного двигателя и вектор­ная диаграмма имеют вид, приведенный на рис. 67. Рис. 67. Схема замещения и векторная диаграмма синхронного двигателя На рис. 67 ХL – синхронное индуктивное сопротив­ление; – угол нагрузки. В соответствии со схемой уравнение имеет вид: . Характеристика зависимости момента двигателя от угла нагрузки имеет вид синусоиды и выражает работу как двигательного, так и генераторного режима. Областью устойчивой работы двигателя является участок , где выполняется условие положительности производной момента по углу нагрузки. С целью получения запаса устойчивости за номинальный момент синхронного двига­теля принимается Мн = 0,5Мп которо­му соответствует угол = 30°. Важным преимуще­ством синхронного двигателя является способность регули­ровать потребляе­мую из сети реак­тивную мощность путем изменения тока возбуждения. Рассмотрим зависимости тока статора двигателя от тока возбуждения I=f(Iв) (рис. 68). Рис. 68. U – образные характеристики синхронного двигателя При перевозбуждении Iдв имеет ёмкостный харак­тер, а при недовозбуждении - индуктивный. Таким обра­зом, синхронный двигатель может быть использован в ка­честве компенсирующего устройства для регулирования реактивной мощности. Зависимости тока статора от тока возбуждения при различных мощностях называются U-образными характе­ристиками. Характеристики имеют границу устойчивости, вдоль которой уменьшение тока возбуждения приведет к опрокидыванию двигателя или «выпаданию из синхрониз­ма». Граница устойчивости соответствует режиму Мдв = Мн . Недостатком синхронного двигателя является не­обходимость возбудителя для запуска, так как при равен­стве синхронной частоты вращения поля статора и частоты вращения поля ротора пусковой момент отсутствует. Наи­более распространен асинхронный запуск. В этом случае на полюсах двигателя размещается короткозамкнутая обмотка. При пуске статор подключают к сети. Возникающее магнитное поле индуцирует в этой обмотке ЭДС и токи, в результате чего создается электромагнитный момент, как и у асинхронного двигателя. При этом обмотка возбуждения отключена от источника постоянного тока, но замкнута на активное сопротивление с целью уменьшения напряжения на ее зажимах при пуске. При достижении двигателем час­тоты вращения, близкой к синхронной, обмотка возбужде­ния переключается на источник постоянного тока. В этом случае говорят, что двигатель «втянулся в синхронизм». Так как выражения электромагнитной мощности и момента у синхронной машины аналогичны и в двигатель­ном, и в генераторном режимах, то достаточно рассмот­реть генераторный режим синхронной машины. Рис. 69. Характеристика холостого хода генератора При работе синхронной машины в качестве генера­тора можно регулировать магнитный поток Фо и пропор­циональную ему Ео, изменяя ток возбуж­дения. Зависимость (рис. 69) на­зывается характери­стикой холостого хода генератора. Ос­таточная ЭДС у син­хронного генератора равна 5-10 В. При включении статора на сопротивление нагрузки по обмотке пойдет ток, который создаст поле, вращающее­ся относительно статора и неподвижное относительно поля возбуждения основного потока ротора Ф0. Совпадение то­ков в проводниках по фазе е ЭДС будет только при актив­ной нагрузке, при индуктивной ток отстает на 90°, при ем­костной опережает на 90°. Рост напряжения при емкостной нагрузке связан с нодмагничивающим действием реакции якоря (статора), а снижение при индуктивной нагрузке -размагничиванием. Упрощенное уравнение электрического состояния одной фазы синхронного генератора без учета поля рас­сеяния якоря Фст имеет вид: , где Ео - ЭДС холостого хода. Данному выражению соответствует схема замеще­ния и векторная диаграмма (рис. 70). Из диаграммы следу­ет, что Ео соответствует магнитному потоку ротора Фо, а напряжение U - результирующему магнитному потоку Ф. а б Рис. 70. Схема замещения (а) и векторная (б) диаграмма синхронного генератора Основной режим работы генератора, нагрузочный. Пренебрегая потерями в сопротивлении обмотки якоря, получим из векторной диаграммы значение между напряжением и E0 : . С учетом этого выражения получим зависимость для определения электромагнитной мощности: . Момент равен отношению мощности к частоте вращения: . Выражение в скобках соответствует максимальному мо­менту Ммах, причем . Рис. 71. Зависимость мощности и момента от угла Зависимости электромагнитной мощности и момента синхронной машины при различных токах возбуждения показаны на рис. 71. В синхронном генераторе с активно-реактивной нагрузкой при определении элек­тромагнитного момента необходимо учитывать фазовый сдвиг тока относительно магнитного потока или напряжения. Тогда выражение для момента . Синхронный генератор в качестве источника элек­трической энергии переменного тока включают в распре­делительную сеть параллельно. При параллельной работе генератора с системой большой мощности его частота и напряжение, а также угловая скорость должны оставаться неизменными при любых изменениях как нагрузки, так и тока возбуждения и момента первичного двигателя. Активную мощность, отдаваемую генератором в сеть, можно регулировать только изменением момента первичного дви­гателя, а реактивную - изменением тока возбуждения. 4. Машина постоянного тока Электрические машины постоянного тока предна­значены для преобразования электрической энергии как в механическую, так и обратно. Поэтому в первом случае они называются двигателем, а во втором - генератором. Устройство генераторов и двигателей одинаково. Неподвижная часть машины, называемая статором, состоит из массивного стального корпуса, к которому крепятся главные и дополнительные полюсы. Главные полюсы соби­раются из стальных листов, что обеспечивает уменьшение потерь мощности от вихревых токов, а дополнительные из­готавливаются массивными. На главных полюсах размеща­ются катушки обмоток возбуждения. На дополнительных полюсах - обмотки дополнительных полюсов. Схема замещения машины постоянного тока в соот­ветствии с уравнением E=U±IR3 показана на рис. 72. Рис. 72. Схема замещения машины постоянного тока В режиме генератора электромагнитный момент Мэм противодействует враще­нию. Он уравновешивается моментом приводного двига­теля Мдв (турбина, дизель и т.п.). В режиме двигателя мо­мент действует по направле­нию вращения. При равно­мерном вращении ему противодействует момент сопротивления Мс приводимого в движение механизма (станок, вентилятор, насос и т.п.). Основное магнитное поле в электрических маши­нах называется полем возбуждения и создается с помощью обмоток возбуждения, получающих питание от источников постоянного тока. Преобразование электрической энергии (рис. 73) возможно в электрических машинах лишь при наличии силового взаимодействия между магнитными по­лями статора и ротора, последние должны быть неподвиж­ны относительно друг друга при любой частоте вращения ротора. Это достигается с помощью коллекторно-щеточного механизма. Коллектор представляет собой цилиндр, состоящий из ряда изолированных друг от друга и корпуса медных пластин, по которым скользят угольные щетки. Число пла­стин равно числу секций обмотки, которая укладывается в пазы. В машинах постоянного тока ЭДС: , где – конструктивная постоянная; р - число пар полюсов; N - число- проводников; а -число парал­лельных, ветвей соединенных проводников (обмотки бы­вают двух- и трехслойные). Генератор Двигатель Рис. 73. Схемы преобразования энергии в машинах постоянного тока В режиме генератора на холостом ходу поток Ф и соответствующая ему ЭДС. зависят только от тока возбуж­дения. Зависимость (рис.74) называется характе­ристикой холостого хода. Если характеристику снимать, сначала увеличивая ток возбуждения, а затем уменьшая его, то получится петля гистерезиса. Обычно в каталогах дается средняя линия. Рис. 74. Характеристика холостого хода При отсутствии тока возбуждения в, якоре наводит­ся ЭДС, равная примерно 2-3% от напряжения якоря. В режиме нагрузки якорь нагружается на внешнее сопротивление проводника, ток в котором совпадает по направлению с ЭДС. Ток об­мотки якоря создает свое по­ле, воздействующее на поле собственно машины. Данное явление называется реакцией якоря. Результирующий магнитный поток машины Ф равен сумме магнитного потока цепи возбуждения Фв и цепи якоря – Фя. При больших зна­чениях тока якоря вследствие насыщения части полюсов результирующий магнитный поток несколько уменьшает­ся. В этом случае реакция якоря называется поперечной. Электромагнитный момент определяется из выра­жения , где D - диаметр якоря; См - постоянная по моменту. Внешняя характеристика генератора Uя =f(Iя) при­ведена на рис. 75. Рис. 75. Внешняя характеристика генератора У генератора различают три режима работы: при не­зависимом возбуждении (обмотка возбуждения питается от отдельного источника напряжения); самовозбуждение (об­мотка возбуждения включается параллельно якорю); сме­шанное возбуждение (при наличии двух обмоток возбуж­дения - последовательной и параллельной). На рис. 76 при­ведены характеристики зависимостей напряжения якоря от тока, соответствующие этим режимам работы генератора. Основной рабочей характеристикой двигателя по­стоянного тока является зависимость частоты вращения от момента на валу. Подставим в уравнение двигателя UЯ = ЕЯ + RЯIЯ значения ЭДС и момента и получим зависимость:. а) б) в) Рис. 76. Зависимости напряжения якоря от тока генератора при: а) независимом возбуждении; б) параллельном; в) смешанном При отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря или нагрузки характеристика п =f(M) называется естественной, а с сопротивлением - искусственной. Регулирование частоты вращения двигателя может осуществляться тремя способами: изменением напряже­ния; магнитного потока (применимо только к двигателям параллельного и смешанного возбуждения) и добавочного сопротивления в цепи якоря (рис. 77). Наиболее экономичный способ - регулирование на­пряжения на зажимах якоря. В момент пуска ЭДС якоря равна нулю и , что в 10-30 раз больше номинального тока. По­этому для ограничения тока на время пуска в цепь якоря включают добавочное сопротивление, называемое пуско­вым. Так как с ростом скорости ток снижается, то в качестве пускового сопротивления используется регулировоч­ный реостат, имеющий ряд ступеней. Рис. 77. Реостатный пуск двигателя Направление вращения двигателя можно поме­нять переключением полярности якоря или обмотки воз­буждения. Повысить обороты двигателя выше номинальных можно ослаблением магнитного потока, зона регулирова­ния ограничивается возрастанием тока возбуждения. Совместное регулирование частоты вращения дви­гателя напряжением на якоре и током возбуждения позво­ляет получить режим работы при постоянной мощности. Свойства и характеристики двигателей постоянного тока существенно зависят от того, как меняется магнитный поток при изменении механической нагрузки двигателей. Характер магнитного потока определяется способом возбуждения. В машинах постоянного тока различают четыре системы возбуждения: • параллельное или шунтовое; • последовательное или сериесное; • смешанное или компаундное; • независимое. а) б) в) Рис. 78. Механические характеристики двигателя при: а) параллельном возбуждении; б) последовательном; в) смешанном Механические характеристики различных систем возбуждения приведены на рис.78. В машинах, постоянного тока различают следую­щие основные виды потерь: • потери мощности в цепи якоря или переменные • потери, зависящие от нагрузки; • потери мощности в стали; • механические потери; • потери мощности в цепях возбуждения. Когда машина работает вхолостую, полезная мощ­ность и соответственно КПД равны нулю. Кроме рассмотренных машин переменного и по­стоянного тока существует ряд электрических машин спе­циального назначения, такие, как преобразователи частоты и числа фаз переменного тока, переменного тока в посто­янный и т.д. Такие машины называют электромашинными преобразователями. 5. Виды защиты электрооборудования Электрическая защита и распределение энергии между приемниками электрической энергии осуществля­ются с помощью электрических аппаратов. Для общепромышленного электрооборудования предусматриваются: максимально токовая защита (для бы­строго отключения при коротком замыкании), защита от перегрузок для отключения цепи при длительном превышении номинального; защита минимального напряжения для отключения двигателей при опасном для них сниже­нии напряжения; нулевая защита, предохраняющая от са­мозапуска двигателя, остановившегося после случайного перерыва в электроснабжении. По назначению электрические аппараты делятся на четыре группы: • коммутирующие, производящие отключение и включение силовых электрических цепей в систе­мах, генерирующих, передающих я распределяю­щих электрическую энергию; • аппараты управления (контакторы, пускатели, кон­троллеры, командоаппараты), управляющие рабо­той электротехнического устройства; • реле и регуляторы, осуществляющие защиту и управление работой устройств с использованием логических задач; • датчики, создающие электрические сигналы (ток, напряжение), соответствующие определенным па­раметрам технологических процессов. • Коммутирующие аппараты можно разделить на три группы: 1. Автоматические выключатели. 1. Плавкие предохранители, выполняющие только ра­зовое отключение при недопустимых нарушениях режима работы электротехнического устройства. 2. Неавтоматические выключатели (рубильники, па­кетные выключатели и переключатели), выпол­няющие только ручное включение и отключение. Коммутирующие аппараты классифицируются: по роду тока (переменный и постоянный) и уровням тока и напряжения (слаботочные -до 5А, сильноточные выше 5А, низкого напряжения - до 1000 В и высокого выше 1000 В); по числу разрываемых контактов - одно-, двух- и трехполюсные. Автоматические выключатели классифицируются по выполняемым функциям защиты: минимального и мак­симального тока; минимального напряжения; обратной мощности. Средством защиты в автоматах является элек­тромагнитный или биметаллический элемент, срабаты­вающий при нагревании с некоторой выдержкой времени. Предохранитель состоит из плавкого металличе­ского элемента — вставки в виде тонкой проволоки или пластины и корпуса с контактным устройством. Плавкая вставка допускает длительное протекание тока, а при пере­грузках или коротких замыканиях нагревается до темпера­туры плавления металла и, расплавляясь, разрывает элек­трическую цепь. При токах выше 10 А корпус предохра­нителя заполняется дугогасительным средством (фибра, кварцевый песок и др.) По конструкции делятся на трубчатые и пробочные. Реле защиты и управления осуществляют прерыви­стое управление при достижении какой-либо величины заданного значения. Различают реле: тока, напряжения, тепловое, временное, положения, давления и т.д. Реле состоят из трех функциональных органов: чувствительного, воспринимающего входную величину и преобразующего ее в электрическую; сравнения преобра­зованной величины с эталоном и передачи воздействия на исполнительный орган; исполнительного, который воздей­ствует на управляемую электрическую цепь. Реле содержит цепь, воспринимающую действие, и цепь, исполняющую действие, т.е. цепи оперативного тока. Цепь, воспринимающая действие, получает сигнал в виде повышения или падения сигнала, после чего реле срабатывает и замыкает цепь оперативного тока. Так, тепловое реле предназначено для защиты двигателя от перегрузки. При прохождении по нагревательному элементу (биметаллическая пластина, состоящая из двух пластин с различным температурным коэффициентом расширения) большого тока происходит его нагрев и изгибание, что приводит в действие защелку, разрывающую контакты оперативного тока. Тепловые реле имеют значительную тепловую инерцию и не могут мгновенно отключать электрическую цепь при коротких замыканиях. Поэтому последовательно с ними включают плавкие предохранители или реле максимального тока. 6. Электропривод Электроприводом называется электромеханическое устройство, осуществляющее преобразование электриче­ской энергии в механическую и обеспечивающее электри­ческое управление. Электропривод включает в себя системы преобра­зования, передачи и распределения энергии и управление этими процессами. Впервые в качестве электропривода в 1837 г. был использован двигатель постоянного тока для привода суд­на. В 1889 г. М.О.Доливо-Добровольским был разработан асинхронный двигатель, который был установлен в каче­стве привода в 1893г. Первыми трудами по теории электропривода были книга проф. С.А. Ринкевича «Электрическое распределе­ние механической энергии» (1925 г.) и проф. В.К. Попова «Применение электродвигателей в промышленности» (1932-1939 гг.) Электропривод бывает индивидуальный, группо­вой и взаимосвязанный. В групповом электроприводе один электродвигатель приводит в движение группу механиз­мов - сложная кинематическая схема. Индивидуальный - один двигатель, один рабочий орган (электродрель, электроточило и др.) Взаимосвязанный - несколько двигателей, несколь­ко механизмов (привод станков, промышленные роботы). Основная функция электропривода - приводить в движение рабочий механизм и изменять его режим работы в соответствии с требованиями технологического процесса. По характеру движения электроприводы подраз­деляются на вращательный (электродвигательным уст­ройством является вращающийся двигатель) и линейный (электродвигательным устройством является линейный двигатель). По принципу действия электродвигательного уст­ройства: непрерывного действия, когда подвижные части находятся в состоянии непрерывного движения, и дис­кретного действия, когда подвижные части находятся в состоянии дискретного движения. По направлению вращения - на реверсивный (когда вал двигателя может вращаться в противоположных на­правлениях) и нереверсивный (когда вал двигателя может вращаться только в одном направлении). Выбор типа двигателя зависит от ряда факторов: характера окружающей среды (влажность, температура окружающего воздуха и т. д.); требований по конструктив­ному исполнению, охлаждению, креплению, требуемых механических и регулировочных характеристик, напряже­ния электрической сети и рода тока. В соответствии с особенностями климата для элек­трооборудования определены следующие климатические исполнения: У - для эксплуатации в зонах с умеренным климатом; ХЛ - для холодного климата; УХЛ - для умеренного и холодного климата; ТВ - для влажного тропического климата; ТС - для сухого тропического климата; Т - для сухого и влажного тропического климата; 0 - общеклиматическое исполнение. Климатическое исполнение указывают в типовом обозначении электротехнического оборудования. Вместе с ним указывается категория помещения, в котором допус­кается его эксплуатация: 1 - исполнение оборудования, которое может экс­плуатироваться на открытом воздухе; 2 - исполнение оборудования, которое может экс­плуатироваться в закрытом помещении, температура и влажность в которых несущественно отличается от состоя­ния окружающего воздуха; 3 - исполнение оборудования для помещений с ес­тественной вентиляцией без искусственного климата; 4 - исполнение оборудования, которое может экс­плуатироваться в отапливаемых или охлаждаемых и вен­тилируемых помещениях; 5 - исполнение оборудования для эксплуатации в помещениях с повышенной влажностью, где возможно длительное наличие воды или частая конденсация влаги на стенах и потолке. По способу защиты от действия окружающей сре­ды электродвигатели делятся на открытые, защищенные, в том числе брызгозащищенные и герметичные. Важное значение для надежной работы электро­привода имеет выбор конструкции двигателя. Для боль­шинства производственных механизмов используются двигатели с горизонтальным расположением вала и лапами для его крепления к несущим конструкциям, а также с фланцевым креплением. Более совершенными являются встраиваемые двигатели, которые не имеют станины, под­шипниковых щитов, а иногда и вала. Их монтируют в кор­пусах самих рабочих механизмов. Линейные двигатели применяются в механизмах с поступательным движением рабочего органа. По конструктивному исполнению электрические машины имеют ряд высот оси вращения от 25 до 800 мм, стандартные длины валов: S (короткие), М (средние) и L (длинные), а также группы монтажных исполнений: 1 - машина на лапах с подшипниковыми щитами; 2 - машина на лапах с подшипниковыми щитами с фланцем на подшипниковом щите; 3 - машина без лап с подшипниковыми щитами с фланцем на подшипниковом щите; 4 - машина без лап с подшипниковыми щитами с фланцем на станине; 5 - машина без подшипниковых щитов (для установки в подшипники механизма); 6 - машина с подшипниковыми щитами и стояковыми подшипниками; 7 - машина со стояковыми подшипниками без подшипниковых щитов; 8 - машина с вертикальным валом; 9 - машины специального назначения. По исполнению концов вала машины подразде­ляются на: 1-е - без конца вала; 2-е одним цилиндрическим концом вала; 3-е двумя цилиндрическими концами вала; 4-е одним коническим концом вала; 5-е одним фланцевым концом вала; 6-е одним фланцевым концом вала; 7-е двумя фланцевыми концами вала; 8-е фланцевым концом вала со стороны приво­да и цилиндрическим на противоположной стороне; 9-е - все прочие исполнения концов вала. Между механическими свойствами электродвига­теля и рабочего механизма должно быть определенное со­ответствие. Механические характеристики рабочих механиз­мов могут быть объединены в три группы: 1) момент на валу остается постоянным - подъем, 1) степенная зависимость момента от частоты вращения - вентилятор, насос, компрессор, 2) постоянство мощности на валу (Р - const) - токарный станок. По виду связи с исполнительным органом рабочей машины электропривода подразделяются на редукторный, безредукторный, маховиковый и электрогидравлический. Для удобства выбора электродвигателя момент рабочего органа приводят к моменту на валу электро­двигателя. Одним из основных факторов, определяющих вы­бор двигателя, является мощность и характер нагрузки. Мощность на валу электродвигателя , где - мощность, приведенная к валу двигателя, - передаточное число, - мощность потерь в передаче. С учетом КПД () передачи мощность на валу и момент определяются ; . Номинальную угловую скорость Q электродвига­теля выбирают в зависимости от известного передаточного числа редуктора zр и заданной угловой скорости рабо­чего механизма . Наилучшее значение соотношения номинальной угловой скорости двигателя и передаточного числа редук­тора для данного механизма определяется путем сравнения нескольких технико-экономических показателей. Пра­вильное определение этих параметров особенно важно для приводов, работающих в режимах частых пусков и тормо­жений, так как это влияет на производительность механиз­ма и потери энергии. Различают два режима работы элек­тропривода: установившийся (статический) и переходный (динамический). Наиболее надежным в системе электропривода является асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Асинхронный двигатель с фазным ротором более громоздкий, дорогой, сложнее в управлении. Используется в режимах с частыми пусками и остановками, например в подъемно-транспортных механизмах. Синхронные двигатели используются с механиз­мами, требующими постоянного момента - компрессоры, насосы, вентиляторы. Двигатели постоянного тока - частые пуски и оста­новы, глубокое регулирование скорости вращения. При выборе мощности двигателя исходят из того, что нагрузка на его валу изменяется во времени. Для определении нагрузки в этих случаях строятся нагрузочные диаграммы – зависимости развиваемых двига­телем момента и мощности от времени M(t) и P(t). В случае завышения номинальной мощности дви­гателя снижаются КПД и коэффициент мощности, что приводит к росту тока в обмотках, к перегреву двигателя и снижению срока его службы. Продолжительный режим работы двигателя ха­рактеризуется такой длительностью, при которой его тем­пература достигает своего установившегося значения. В таком режиме работают, например, приводы вентиляторов, насосов, преобразовательных установок. В повторно-кратковременном режиме двигатель за время работы не успевает нагреться до установившейся температуры, а за время паузы между включениями не ус­певает остыть до температуры окружающей среды. Такой режим работы характерен, например, для электроприводов подъемных кранов, лебедок, лифтов, циклических конвей­еров и т.п. Время цикла при повторно-кратковременном режиме не должно превышать 10 мин. На это время рас­считывается тепловой режим двигателя при его конструи­ровании. При кратковременном режиме работы двига­тель не успевает в рабочий период нагреться до устано­вившейся температуры, а пауза столь длительна, что температура снижается до температуры окружающей среды. Такой режим работы характерен, например, для приводов шлюзов, вспомогательных механизмов элек­тротермических установок, зажимов колонн металлоре­жущих станков и др. В продолжительном режиме двигатель работает либо с неизменной нагрузкой, либо с изменяющейся во времени нагрузкой. При постоянной нагрузке на валу но­минальная мощность Рн двигателя должна быть выбрана равной мощности Рс нагрузки. В этом случае по каталогу выбирается двигатель, удовлетворяющий условию Рн > Рс. Если при продолжительном режиме работы на­грузка на валу двигателя изменяется, то для выбора мощ­ности но нагреву используют методы средних потерь за цикл или эквивалентных величин: тока, момента и мощ­ности. Метод средних потерь заключается в нахождении при заданном графике нагрузки и сравнении их с номинальными потерями на которые рассчитан двига­тель при длительной работе. Метод является поверочным, поскольку до выбора мощности двигателя его номинальные потери неизвестны и поэтому принимают ориентировочно мощность двигате­ля обычно на 10-30% больше мощности за цикл. На практике для определения мощности двигателя пользуются нагрузочными диаграммами, представляющи­ми собой зависимости момента или мощности от времени. Значение эквивалентной (среднеквадратичной) мощности двигателя определяют по формуле:, где п - число участков с различными значениями мощно­сти Р, за цикл работы двигателя. Условием правильного выбора мощности двигате­ля в этом случае будет Рэ <Рi. Метод эквивалентной мощности применяют для двигателей постоянного тока независимого возбуждения и асинхронных двигателей, работающих при неизменной угловой скорости с редкими пусками и остановами. Повторно-кратковременный режим (ПВ) работы двигателя характеризуется продолжительностью включе­ния. Для работы в повторно-кратковременном режиме выпускают специальные двигатели, рассчитанные на стан­дартные значения продолжительности включения: 15, 25, 40, 60%, на которые и следует ориентироваться при выбо­ре двигателя по мощности для такого режима. Если нагрузка за цикл не меняется, но это означает, что двигатель выбран по мощности правиль­но: средняя мощность потерь за цикл при ПВ не превыша­ет среднюю мощность потерь за тот же цикл при Рн. Условие выбора двигателя при этом принимает вид . Проверка предварительно выбранного двигателя заданной мощности проводится по формуле . Если при работе электропривода наблюдаются рез­кие колебания нагрузки, то следует проверить перегрузоч­ную способность, электродвигателя. Она определяется от­ношением максимального значения электромагнитного момента (критического) к номинальному , моменту: . Для асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором она составляет - 1,7-2,5I для двигателя с фазо­вым ротором, синхронного и двигателя постоянного то­ка 2,0-2,5. В настоящее время широкое распространение по­лучил регулируемый электропривод выпускаемый ком­плектно, т.е. электродвигатель совместно с преобразова­телем. Преобразовательные устройства на базе полупро­водниковой техники служат для преобразования переменного напряжения (тока) в постоянное и наоборот, а также переменного напряжения (тока) одной частоты в перемен­ное напряжение (ток) другой частоты. В преобразователь­ных устройствах используются средства, осуществляющие фильтрацию и стабилизацию тока и напряжения. Основными характеристиками являются коэффициент полезного действия, коэффициент мощности и другие энергетические характеристики. По принципу действия статические преобразовате­ли разделяются на: • преобразователи с непосредственным преобразованием частоты; • преобразователи частоты со звеном постоянного тока. Наибольшее распространение в электроприводах нашли статические преобразователи со звеном постоянно­го тока, которые выгодно отличаются тем, что обеспечи­вают больший диапазон регулирования и могут регулиро­вать частоту как вверх, так и вниз. На сегодняшний день существует и широко применяется достаточно большое количество схемотехнических решений статических пре­образователей частоты со звеном постоянного тока, кото­рые отличаются и схемами, и элементной базой. Статический преобразователь со звеном постоян­ного тока состоит из двух основных устройств: • управляемого выпрямителя - УВ; • автономного инвертора напряжения - АИН. • Кроме того, статический преобразователь содержит систему управления, состоящую из: • блока управления выпрямителя - БУВ; • блока управления инвертором - БУИ; • блока задания скорости - БЗС. Работа статического преобразователя осуществля­ется следующим образом. На вход управляемого выпрями­теля поступает трехфазное переменное напряжение про­мышленной частоты. На выходе выпрямителя формирует­ся постоянное напряжение, величина которого может плавно регулироваться с помощью БУВ. Это напряжение поступает на вход автономного инвертора напряжения. Последний, за счет определенного алгоритма переключе­ния полупроводниковых ключей, входящих в его состав, формирует на выходе трехфазное переменное напряжение, частота которого может плавно регулироваться с помощью БУИ. Блок задания скорости БЗС, воздействуя на блоки управления выпрямителя я инвертора, обеспечивает тре­буемое соотношение между действующим значением на­пряжения и его частотой. В основу анализа электромагнитных процессов в преобразователях положены методы расчета линейных и нелинейных электрических цепей. 7. Системы управления и регулирования электроприводов Системы управления электроприводами подразде­ляются на два вида: • разомкнутые системы, обеспечивающие автоматиза­цию процессов пуска, торможения, изменения скорости, защиту и т. д.; • замкнутые системы, в которых используются обратные связи: по скорости, току, ЭДС и т. д. Основным недостатком разомкнутых систем регу­лирования является невозможность обеспечения высокой точности регулирования выходных координат. Для осуществления автоматического регулирова­ния в замкнутых электроприводах необходимо измерить сигнал обратной связи, затем этот результат в виде напря­жения сравнить (произвести алгебраическое суммирова­ние) с заданным и направить результат сравнения к регу­лируемому объекту. Обычно энергии измерительного ор­гана оказывается недостаточно для воздействия на регули­рующий орган, поэтому возникает необходимость в при­менении усилительного устройства. Обратные связи совместно с задающим - управ­ляющим сигналом позволяют формировать статические и динамические характеристики электроприводов в соответ­ствии с заданными технологическими требованиями. Об­ратные связи могут быть положительными и отрицатель­ными, жесткими и гибкими, линейными и нелинейными. Обратные связи могут формировать сигналы (напряже­ния), пропорциональные значению или пропорциональные производной от значения напряжения, тока, частоты вра­щения, угла поворота и т. д. В этих случаях они называют­ся жесткими или гибкими, положительными или отрица­тельными обратными связями соответственно по напряже­нию, току, частоте вращения, углу поворота и т.д. Для осуществления управлением процессами пус­ка, реверса и торможения используются релейные схемы. Они выполняются как с контактными (реле, контакторы) так и с бесконтактными (логические элементы) электриче­скими аппаратами. Как правило, выпускаются в виде стан­ций управления. Требования к регулированию скорости зависят от особенностей технологических процессов и устройства рабочих машин. Поэтому электроприводы подразделя­ются по характеру изменения параметров: регулируемый (когда параметры изменяются под воздействием управ­ляющего воздействия); нерегулируемый (когда парамет­ры изменяются только под воздействием возмущающих воздействий). Способы регулирования частоты вращения могут быть разделены на две основные группы: • параметрические способы; • способы, связанные с применением регулируемых ис­точников электрической энергии. При параметрических способах регулирование час­тоты вращения осуществляется за счет изменения тех или иных параметров электродвигателей или их электрических цепей. Так, например, у двигателя постоянного тока пара­метрические способы регулирования сводятся к регулиро­ванию изменений сопротивления в цепи якоря и измене­ний магнитного потока. У асинхронных двигателей пере­менного тока параметрические способы осуществляются: изменением активного сопротивления в цепи ротора, ин­дуктивного сопротивления в цепи статора, фазного напря­жения, переключением числа пар полюсов. Существенным условием, определяющим выбор системы управления автоматизированного электроприво­да, является требование к регулированию скорости по по­казателям качества регулирования (диапазон, плавность, точность поддержания заданной скорости), а также к ди­намическим показателям качества процесса регулирования (быстродействие, перерегулирование и др.). Для машин и механизмов, не требующих регулиро­вания скорости, применяются электроприводы переменно­го тока с асинхронными и синхронными двигателями. Для механизмов, допускающих ступенчатое регулирование в 2-4 ступени и при небольшой мощности (до 50 кВт), воз­можно использование многоскоростных двигателей с пе­реключением числа пар полюсов. К группе способов, основанных на применении ре­гулируемых источников, относятся способы, требующие использования специальных генераторов или статических преобразователей. Так, в электроприводах постоянного тока используются способы регулирования изменением напряжения в цепи якоря с помощью систем «генератор — двигатель», «тиристорный преобразователь-двигатель». В электроприводах переменного тока с асинхронными двига­телями используются способы регулирования на базе ста­тических преобразователей частоты и каскадных устано­вок, вводящих добавочную ЭДС в цепь ротора. При требовании плавного регулирования скорости применяются системы непрерывного управления на посто­янном или переменном токе. В зависимости от диапазона и требуемой точности регулирования эти системы могут быть разомкнутыми и замкнутыми. Использование в современных электроприводах полупроводниковых преобразователей требует обеспече­ния электромеханической совместимости привода с меха­нической частью машины. Пульсации тока, вызванные дискретностью работы преобразователей, могут вызвать пульсации момента, что неблагоприятно сказывается на механизмах, имеющих зубчатые передачи. В быстродействующих тиристорных электропри­водах используется программное управление скоростью машин и динамических моментов в переходных периодах. В настоящее время в приводах используются пре­образователи частоты переменного тока второго поколе­ния на биполярных транзисторах с изолированным затво­ром. Они обеспечивают высокую частоту коммутации, и, следовательно, минимальные потери в двигателе. Эта особенность дает возможность иметь 100% нагрузочную способность двигателя в диапазоне частот от 40 до 50 Гц. Пусковой момент, достигающий 180 % от номинального момента двигателя, гарантирует его надежный пуск даже при полной нагрузке. Трехуровневое регулирование тока обеспечивает высокую нечувствительность двигателя к изменениям нагрузки, что исключает возможность «опро­кидывания». Высокая частота коммутации сводит к ми­нимуму шум двигателя. Преобразователи частоты обес­печиваются предварительно программируемыми при­кладными макропрограммами. Таким образом, автоматизированный привод де­лится на: • программно-управляемые • следящий, который отрабатывает перемещение испол­нительного органа рабочей машины в соответствии с произвольно меняющимся сигналом; • позиционный, предназначенный для регулирования положения исполнительного органа рабочей машины; • адаптивный, автоматически избирающий структуру или параметры системы регулирования при изменении условий работы. 8. Технические требования к электроприводу Составление технических требований является од­ной из составных задач заказчика электрооборудования. На основании анализа изложенных выше факторов состав­ляются технические требования и техническое задание для проектирования, состоящие из следующих разделов: 1. Назначение и область применения комплектного электропривода. 2. Технические характеристики электропривода. Они состоят из требований к мощности на валу электродвигателя, диапазону регулирования скоро­сти вращения; требований по статической точности и динамическим характеристикам, времени переход­ного процесса при пуске и торможении. Оговариваются требования по параметрам и мощности питаю­щей сети. При наличии тиристорного преобразовате­ля оговариваются требования к коэффициенту мощ­ности и коэффициенту нелинейных искажений. При­водятся требования, специфические для каждого ти­па машин и технологического процесса. 3. Требования по управлению, сигнализации, защите, диагностике. Приводятся требования по автоматизации управле­ния электроприводом, формулируются требования по блокировкам, сигнализации, видам и характери­стикам защит, диагностике. Определяется количест­во и характеристики пультов управления. Указывается вид и характеристики сигналов управления (аналоговые, дискретные, по току или напряжению), блокировок и вставок защит и сиг­нализации. 4. Условия эксплуатации. На основании стандартов указываются требования по климатическим условиям (температура, влаж­ность и т. д.), оговариваются требования по воздей­ствию механических факторов (вибрация, удары, крен и т. д.). Оговариваются требования по исполне­нию защиты от внешних воздействий, а также по ус­ловиям транспортировки и хранению оборудования. 5. Требования по надежности, ресурсу, обслуживанию и ремонту. К требованиям по надежности относятся: вероят­ность безотказной работы и средняя наработка на отказ для невосстанавливаемого оборудования; ко­эффициент готовности и среднее время восстановле­ния восстанавливаемого оборудования. Приводятся ресурс и комплектность привода, порядок проведе­ния регламентных и ремонтных работ. Тесты к разделу «Электрические машины» 1. При каком напряжении целесообразно передавать энергию? а) высоком; б) низком; в) величина напряжения значения не имеет. 2. Какие трансформаторы используют для питания электроэнергией жилых помещений? а) силовые; б) измерительные; в) специальные. 3. Чем принципиально отличается автотрансформатор от трансформатора? а) малым коэффициентом трансформации; б) возможностью изменения коэффициента трансформации; в) электрическим соединением первичной и вторичной цепей. 4. Какой прибор нельзя подключать к трансформатору тока? а) амперметр; б) реле с малым входным сопротивлением; в) вольтметр; г) ваттметр. 5. Сколько стержней должен иметь магнитопровод трехфазного трансформатора? а) один; б) два; в) три. 6. Какие материалы используют для изготовления короткозамкнутой обмотки ротора асинхронного трехфазного двигателя? а) алюминий; б) алюминий, медь; в) медь, серебро. 7. С какой целью двигатель с фазным ротором снабжают контактными кольцами и щетками? а) для подключения двигателя к сети; б) для соединения ротора с регулировочными реостами; в) для создания электромагнитного момента. 8. Может ли ротор асинхронного двигателя раскрутиться до частоты вращения магнитного поля? а) может; б) не может; в) все зависит от частоты вращения поля. 9. Как изменится скольжение, если увеличить момент механической нагрузки на валу двигателя? а) увеличится; б) не изменится; в) уменьшится. 10. Укажите основной недостаток асинхронного двигателя. а) зависимость частоты вращения от момента нагрузки на валу; б) отсутствие экономичных устройств, для плавного регулирования частоты вращения ротора; в) низкий КПД. 11. При выполнении каких условий, зависимость U=f(I) является внешней характеристикой синхронного генератора? а) ; б) ; в) . 12. Нужны ли контактные кольца и щетки, для синхронного двигателя, ротор которого представляет собой постоянный магнит? а) нужны; б) не нужны; в) их наличие значения не имеет. 13. Ток генератора постоянного тока увеличился. Как изменился вращающий момент на валу генератора? а) не изменился; б) увеличился; в) уменьшился. 14. Частота вращения ДПТ уменьшилась. Как изменилась ЭДС, индуцируемая в обмотке якоря? а) не изменилась; б) увеличилась; в) уменьшилась; г) в двигателе ЭДС не индуцируется. 15. Каково основное назначение коллектора? а) крепление обмотки якоря; б) электрическое соединение вращающейся обмотки якоря с неподвижными клеммами машины; в) выпрямление переменного тока. 16. ЭДС генератора постоянного тока 240 В. Сопротивление обмотки якоря 0,1 Ом. Определить напряжение на зажимах генератора при токе нагрузки 100 А. а) 240 В; б) 230 В; Контрольные вопросы к разделу «Электрические машины» 1. Назначение и принцип работы трансформатора. 2. Какую роль играет сердечник трансформатора? Каковы его материал и конструктивные особенности? 3. Что такое коэффициент трансформации, понижающий и повышающий трансформатор? 4. Что такое КПД трансформатора? Из чего складываются потери трансформатора? 5. Опишите устройство и принцип действия асинхронного двигателя. 6. Что такое скольжение? 7. Можно ли плавно менять частоту вращения асинхронного двигателя? 8. Как изменить направление вращения АД? 9. Объясните принцип действия двигателя постоянного тока. 10. Почему в момент пуска ДПТ, ток якоря двигателя в несколько раз больше номинального значения и уменьшается в процессе пуска? 11. Как осуществляют пуск ДПТ? 12. Каким образом регулируется частота вращения ДПТ? 13. В чем заключается конструктивная особенность синхронных машин? 14. Назовите основные способы защиты электрооборудования. 15. Что называется электроприводом? Электроника Электроника - отрасль науки и техники, изучающая: • физические явления и процессы в полупроводниковых приборах; • электрические характеристики и параметры полупро­водниковых приборов; • свойства устройств и систем, основанных на приме­нении полупроводниковых приборов. Самые важные исторические моменты в развитии электроники отмечаются следующими датами: 1885 г. - Дж. Максвелл разработал теорию электромагнитных волн; 1883 г. - Т. Эдисон открыл термоэлектронную эмис­сию; 1886 г. - Г. Герц открыл электромагнитные волны, го­дом позже - фотоэмиссию; 1897 г. - Дж. Томсон открыл электрон; 1906 г. - Л. де Форест изобрел триод; 1948 г. - У. Шокли, У. Браттейн и Дж. Бардин изобре­ли транзистор. Основные направления развития электроники: Интегральная микроэлектроника - разработка и внедрение методов предельного уменьшения физических раз­меров элементов микросхемы, что приводит к увеличению функциональных возможностей микросхем, повышению их надежности и быстродействия, снижению энергопо­требления; внедрение микропроцессорной техники в са­мые различные производственные процессы. Функциональная электроника - создается на основе физической интеграции, то есть когда функциональные свойства диодов, транзисторов реализуются за счет атомарных, межмолекулярных связей. Оптоэлектроника - основана на использовании процессов преобразования электрических сигналов в оптиче­ские и наоборот, преимущества - неисчерпаемые возмож­ности повышения рабочих частот и использование прин­ципа параллельной обработки информации. 1. Полупроводниковые приборы p-n-переход и его свойства Действие полупроводниковых приборов основано на использовании свойств полупроводников. Полупроводники занимают промежуточное положение между провод­никами и диэлектриками. К полупроводникам относятся элементы IV группы периодической системы элементов Д.И. Менделеева, которые на внешней оболочке имеют четыре валентных электрона. Типичные полупроводники -Ge (германий) и Si (кремний). Чистые полупроводники кристаллизуются в виде решетки (рис. 79 а). Каждая валентная связь содержит два электрона, оболочка атома имеет восемь электронов, и атом находится в состоянии равновесия. Чтобы «вырвать» электрон в зону проводимости, необходимо затратить большую энергию. Чистые полупроводники обладают высоким удельным сопротивлением (от 0,65 Омм до 108 Омм). Для сни­жения высокого удельного сопротивления чистых полу­проводников в них вводят примеси, такой процесс называ­ется легированием, а соответствующие полупроводнико­вые материалы - легированными. В качестве легирующих примесей применяют элементы III и V групп периодиче­ской системы элементов Д.И. Менделеева. Элементы III группы имеют три валентных электрона, поэтому при образовании валентных связей одна связь оказывается только с одним электроном (рис. 79 б). Такие полупроводники обладают дырочной электропро­водностью, так как в них основными носителями заряда являются дырки. Под дыркой понимается место, не занятое электроном, которому присваивается положительный за­ряд. Такие полупроводники также называются полупроводниками р-типа, а примесь, благодаря которой в полу­проводнике оказался недостаток электронов, называется акцепторной. Элементы V группы имеют пять валентных элек­тронов, поэтому при образовании валентных связей один электрон оказывается лишним (рис, 19 в). Такие полупроводники обладают электронной электропроводностью, так как в них основными носителями заряда являются элек­троны. Они называются полупроводниками n-типа, а при­месь, благодаря которой в полупроводнике оказался избы­ток электронов, называется донорной. Рис. 79. Фрагмент решетки: а) чистого полупроводника; б) полупроводника с акцепторной примесью в) полупроводника с донорной примесью Удельное электрическое сопротивление легированного полупроводника существенно зависит от концен­трации примесей. При концентрации примесей 1020- 1021 на 1 см3 вещества оно может быть снижено до 5·10-6 Ом·м для германия и 5·10-5 Ом·м для кремния. Основное значение для работы полупроводниковых приборов имеет электронно-дырочный переход, кото­рый называют р–n-переходом – область, на границе двух по­лупроводников, один из которых имеет дырочную, а дру­гой - электронную электропроводность). На практике р-n-переход получают введением в полупроводник дополнительной легирующей примеси. Например, при введении донорной примеси в определенную часть полупроводника р-типа в нем образуется об­ласть полупроводника n-типа, граничащая с полупровод­ником р-типа. Схематически образование р-n-перехода ври соприкосновении двух полупроводников е различными типами электропроводности показано на рис. 80. До сопри­косновения в обоих полупроводниках электроны, дырки, ионы были, распределены равномерно (рис. 80 а). а б Рис. 80. образование p-n- перехода распределение носителей заряда в полупроводниках с различными типами электропроводности до соприкосновения (а); после соприкосновения (б) При соприкосновении полупроводников в погра­ничном слое происходит рекомбинация (воссоединение) электронов и дырок. Свободные электроны из зоны полупроводника n-типа занимают свободные уровни в валент­ной зоне полупроводника р-типа. В результате вблизи гра­ницы двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда и поэтому обладающий вы­соким удельным сопротивлением, - так называемый запи­рающий слой (рис. 80 б). Толщина запирающего слоя обычно не превышает нескольких микрометров. Расширению запирающего слоя препятствуют не­подвижные ионы донорных и акцепторных примесей, ко­торые образуют на границе полупроводников двойной электрический слой. Этот слой определяет контактную разность потенциалов Δφк на границе полупроводников (рис. 81). Возникшая разность потенциалов создает в запи­рающем слое электрическое поле напряженностью Езап, препятствующее как переходу электронов из полупровод­ника n-типа в полупроводник р-типа, так и переходу дырок в полупроводник n-типа. В то же время электроны могут свободно двигаться из полупроводника р-типа в полупроводник n-типа, как и дырки из полупроводника n-типа в полупроводник р-типа. Таким образом, контактная разность потенциалов препятствует движению основных но­сителей заряда и не препятствует движению неосновных носителей заряда. Однако при движении через р-п-переход неосновных носителей (дрейфовый ток 1др), происходит снижение контактной разности потенциалов, что позволяет некоторой части основных носителей, обладающих достаточной энергией, преодолеть потенциальный барьер, обу­словленный контактной разностью потенциалов. Появля­ется диффузионный ток 1диф, который направлен навстречу дрейфовому току 1др, то есть возникает динамическое равновесие, при котором 1др= 1диф. Если к p-n-переходу приложить внешнее напряжение Uобр, которое создает в запирающем слое электриче­ское поле напряженностью Евн при котором совпадающее по направле­нию с полем неподвижных ионов напряженностью Езап, (рис. 82 а), то это приведет к расширению запирающего слоя, так как носители заряда уйдут от контактной зоны. При этом сопротивление p-n-перехода велико, ток через него мал, так как обусловлен движением неосновных носителей заряда. В этом случае ток называют обратным 1обр, а р-n-переход - закрытым. При противоположной полярности источника на­пряжения (рис. 82 б) внешнее поле направлено навстречу полю двойного электрического слоя, толщина запирающего слоя уменьшается. Сопротивление р-n-перехода резко снижается и возникает сравнительно большой ток. В этом случае ток называют прямым 1пр, а р-n-переход – открытым. Рис. 81. Образование контактной разности потенциалов на границе полупроводников разных типов электропроводности Рис. 82. p-n-переход во внешнем электрическом поле а) к p-n-переходу приложено обратное напряжение; б) к p-n-переходу приложено прямое напряжение На рис. 83 показана вольт-амперная характеристика p-n-перехода. Пробой p-n-перехода связан с тем, что при движении через p-n-переход под действием электрического поля неосновные носители заряда приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов полупровод­ника. В переходе начинается лавинообразное размножение носителей заряда, что приводит к резкому увеличению об­ратного тока через p-n-переход при почти неизменном об­ратном напряжении. Этот вид электрического пробоя на­зывают лавинным. Обычно он развивается в относительно широких p-n-переходах, которые образуются в слаболеги­рованных полупроводниках. Рис. 83 Вольт-амперная характеристика p-n-перехода 1 – мал; 2 – определяется только сопротивлением полупроводника. 3 – p-n- переход закрыт; определяется движением неосновных носителей заряда; 4 – p-n переход пробит; резко возрастает. Пунктиром показана характеристика сильнолегированных полупроводников, отличающаяся формой участка 1 и отсутствием участка 3, что связано с влиянием квантово-механического туннельного эффекта. В сильнолегированных полупроводниках ширина запирающего слоя меньше, что препятствует возникновению лавинного пробоя, так как движущиеся носители не приобретают энергии, достаточной для ударной иониза­ции. В таких полупроводниках возможно возникновение эффекта Зенера, когда при достижении критической на­пряженности электрического поля в p-n-переходе за счет энергии поля появляются пары носителей электрон - дыр­ка, и существенно возрастает обратный ток р-n-перехода. Для электрического пробоя характерна обратимость, заключающаяся в том, что первоначальные свойст­ва p-n-перехода полностью восстанавливаются, если сни­зить напряжение на p-n-переходе. Благодаря этому элек­трический пробой используют в качестве рабочего режима в полупроводниковых диодах. Если температура p-n-перехода возрастает в результате его нагрева обратным током и недостаточного теплоотвода, то усиливается процесс генерации пар носителей заряда. Это приводит к дальнейшему увеличению обратного тока и нагреву p-n-перехода, что может вызвать разрушение перехода. Такой процесс называют тепловым пробоем. Тепловой пробой разрушает р-n-переход. В сильнолегированных полупроводниках может возникать квантово-механический туннельный эффект, который состоит в том, что при очень малой толщине запирающего слоя основные носители могут преодолевать запирающий слой без изменения энергии, что приводит к возрастанию тока на этих участках. Закрытый p-n-переход обладает электрической емкостью, которая зависит от его площади и ширины, а так­же от диэлектрической проницаемости запирающего слоя. Свойства p-n-перехода широко используются в полупроводниковых приборах. Полупроводниковые диоды Полупроводниковым диодом называют двухэлектродный полупроводниковый прибор, содержащий один электронно-дырочный р-n переход. По конструктивному исполнению полупроводниковые диоды разделяются на плоскостные и точечные. Плоскостные диоды представляют собой p-n-переход с двумя металлическими контактами, присоединенными к р- и n- областям. В точечном диоде вместо плоской использу­ется конструкция, состоящая из пластины полупроводника и металлического проводника в виде острия. При сплавле­нии острия с пластиной образуется микропереход. По сравнению с плоскостным диодом падение напряжения на точечном в прямом направлении очень мало, ток в обрат­ном направлении значительно меняется в зависимости от напряжения. Точечные диоды обладают малой межэлек­тродной емкостью. Рассмотрим некоторые группы полупроводниковых диодов. Выпрямительный полупроводниковый диод используется для выпрямления переменного тока. Типичная вольт-амперная характеристика выпрямительного диода подобна характеристике, представлен­ной на рис. 83. Основным свойством выпрямительного диода является большое различие сопротивлений в прямом и обратном направлениях, что обуславливает вентильные свойства выпрямительного диода, т.е. способность про­пускать ток преимущественно в одном (прямом) направле­нии. Электрические параметры выпрямительного диода: прямое напряжение , которое нормируется при опреде­ленном прямом токе ; максимально допустимый прямой ток , максимально допустимое обратное напряжение , обратный ток , который нормируется при опре­деленном обратном напряжении ; межэлектродная ем­кость, сопротивление постоянному и переменному току. Полупроводниковый стабилитрон - полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электри­ческого пробоя слабо зависит от тока. Вольт-амперная характеристика стабилитрона приведена на рис. 84. Как видно, в области пробоя напряжение на стабилитроне Ucm лишь незначительно изменяется при больших изменениях тока стабилизации 1ст. Рис. 84. Вольт-амперная характеристика стабилитрона Основные параметры стабилитрона: напряжение на участке стабилизации Ucm; динамическое сопротивление на участке стабилизации ; минимальный ток стабилизации - максимальный ток стабилизации ; температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации . Стабилитроны используются для стабилизации и ограничения напряжения, а также в качестве источника опорного (эталонного) напряжения в прецизионной измерительной технике. Туннельный диод - это полупроводниковый диод, в котором благодаря использованию высокой концентрации примесей возникает очень узкий барьер и наблюдается туннельный механизм переноса зарядов через р-n-переход. Характеристика туннельного диода имеет область отрица­тельного сопротивления, т. е. область, в которой положи­тельному приращению напряжения соответствует отрица­тельное приращение тока (пунктирная линия на рис. 83). Варикап - полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости p-n-перехода от обратного напряжения, который предназначен для применения в ка­честве элемента с электрически управляемой емкостью. Фотодиод — полупроводниковый диод, в котором в результате освещения p-n-перехода повышается обратный ток. Светодиод - полупроводниковый диод, в котором в режиме прямого тока в зоне p-n-перехода возникает видимое или инфракрасное излучение. Фотодиоды используются в солнечных батареях, применяемых на космических кораблях и в южных рай­онах земного шара. Светодиоды находят применение для индикации в измерительных приборах, в наручных часах, микрокалькуляторах и других приборах. Условные графические обозначения рассмотренных полупроводниковых диодов представлены на рис. 85. Рис. 85. Условные графические обозначения полупроводниковых диодов. а – вентильного диода; б – стабилитрона; в – туннельного диода; г – варикапа; д – фотодиода; е – светодиода Биполярные транзисторы Транзистором называют трехэлектродный полупроводниковый прибор, служащий для усиления мощно­сти электрических сигналов. Кроме усиления транзисторы используют для генерирования сигналов, их различных преобразований и решения других задач электронной тех­ники. Различают два типа транзисторов: биполярные и полевые (униполярные). Название биполярного транзистора объясняется тем, что ток в нем определяется движением носителей зарядов двух знаков - отрицательных и положи­тельных (электронов и дырок). Термин же транзистор про­исходит от английских слов transfer - переносить и resi­stor - сопротивление, т.е. в них происходит изменение со­противления под действием управляющего сигнала. На рис. 86 показана структура такого транзистора и его обозначение на схемах. Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводников типа «p» и «n», между которыми образуются два р-п перехода. В соответствии с чередованием слоев с разной электропроводностью биполярные транзи­сторы подразделяют на два типа: р-п-р (рис. 86 а) и п-р-п (рис. 86 б). У транзистора имеются три вывода (электро­да): эмиттер (э), коллектор (к) и база (б). Эмиттер и кол­лектор соединяют с крайними областями (слоями), имею­щими один и тот же тип проводимости, база соединяется со средней областью. Напряжение питания подают на пе­реход «эмиттер — база» в прямом направлении, а на пере­ход «база - коллектор» - в обратном направлении. По диапазонам используемых частот транзисторы делятся на низкочастотные (до 3МГц), среднечастотные (от 3 до 30 МГц), высокочастотные (от 30 до 300 МГц) и сверхвысокочастотные (свыше 300 МГц). По мощности транзисторы делятся на малой мощности (до 0,3Вт), средней мощности (от 0,3Вт до 1,5Вт), большой мощности (свыше 1,5Вт). Рис. 86. Структура биполярного транзистора и его обозначение на схемах а) транзистора типа p-n-p, б) транзистора типа n-p-n При подключении эмиттера транзистора типа р-п-р к положительному зажиму источника питания возникает эмиттерный ток Iэ (рис. 87). Стрелкой указано движение носителей заряда. Дырки преодолевают переход и попада­ют в область базы, для которой дырки не являются основными носителями заряда. Дырки частично рекомбинируют с электронами базы. Так как напряжение питания коллек­тора во много раз (приблизительно в 20 раз) больше, чем напряжение питания базы, и конструктивно слой базы выполняется очень тонким, то электрическое сопротивление цепи базы получается высоким и ток, ответвляющийся в цепь базы IБ, оказывается незначительным. Большинство дырок достигают коллектор, образуя коллекторный ток Iк . причем где - коэффициент передачи тока, практически = 0,95+0,995. Рис. 87. Принцип действия биполярного транзистора Ток коллектора превосходит ток базы от 20 до 200 раз. Это объясняет возможность усиления с помощью транзистора тока и, соответственно, мощности сигнала во много раз. Действительно, если подавать напряжение сигнала в цепь базы, то в соответствии с напряжением сигнала будет изменяться сопротивление р-n-перехода между эмиттером и базой. Это изменяющееся сопротивление включено в коллекторную цепь, что приведет к соответст­вующему изменению тока коллектора, который во много раз большие тока базы. Если в коллекторную цепь включить сопротивление нагрузки, в нем будет выделяться мощность, во много раз большая, чем мощность сигнала, подводимого в цепь базы. При этом следует иметь в виду, что мощность сигнала усиливается за счет энергии источников питания. Принцип действия транзистора типа п-р-п точно такой же, как у рассмотренного выше транзистора р-п-р. Вольт-амперные характеристики транзистора различаются в зависимости от схемы его включения: с общим эмиттером (ОЭ), с общей базой(ОБ) или с общим коллек­тором (ОК) (рис. 88). Рис. 88. Схемы включения транзистора: а) с общим эмиттером; б) с общей базой; в) с общим коллектором Различают следующие основные вольт-амперные характеристики транзистора: 1. Входная - зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении при для схемы с ОЭ; при для схемы с ОБ; при для схемы с ОК; 2. Семейство выходных характеристик - зависимость выходного тока от выходного напряжения при раз­ных (фиксированных) значениях входного тока при для схемы с ОЭ; при для схемы с ОБ; при для схемы с ОК; На рис. 89 представлены вольт-амперные характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Рис. 89. Вольт-амперные характеристики биполярного транзистора с общим эмиттером входная (а) и семейство выходных (б) В наиболее распространенных транзисторах небольшой мощности ток базы составляет десятки или сотни микроампер, напряжение на базе изменяется от нуля до нескольких десятых долей вольта. Коллекторный ток на выходных характеристиках транзисторов небольшой мощности изменяется от нуля до единиц или десятков милли­ампер, напряжение на коллекторе - от нуля до одного-двух десятков вольт. Свойства транзисторов характеризуются их пара­метрами, с помощью которых можно сравнивать качество транзисторов, решать задачи, связанные с применением транзисторов в различных схемах, и рассчитывать эти схемы. h - параметры транзистора определяют, рассматривая транзистор как четырехполюсник, т.е. прибор, имеющий два входных и два выходных зажима. Они свя­зывают входные и выходные токи и напряжения, спра­ведливы только для нормального режима работы транзи­стора и малых амплитуд сигналов и могут быть опреде­лены экспериментально или по входной и выходным ха­рактеристикам. h – параметры транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером: Входное сопротивление транзистора (между базой и эмиттером) для переменного тока при . Для маломощных транзисторов Rи = 1000-110000 Ом; для транзисторов средней и большой мощности - Rи = 50-11000 Ом. Коэффищент усиления по току при . Этот коэффициент изменяется от 20 до 200. Выходная проводимость при . Для маломощных транзисторов h22 ≈ 10-6 См, а для транзисторов средней и большой мощности h22 = 10-4 - 10-6 См. Отметим, что выходную проводимость иногда заменяют выходным сопротивлением Rвых = 1 / h22. Иногда рассматривается коэффициент обратной связи по напряжению при . Величина h12 из-за малости часто не принимается во внимание. Параметры биполярных транзисторов зависят от температуры окружающей среды. Выделяют три области работы транзистора (рис. 89 б). При работе транзистора как усилителя эмиттерный переход открыт, а коллекторный закрыт. Это – ак­тивная область работы, в которой транзистор можно счи­тать линейным активным элементом. Область, в которой оба перехода смещены в обратном направлении, называют областью отсечки. Область, в которой оба перехода сме­щены в проводящем направлении, называют областью на­сыщения. Полевые транзисторы Полевым называют транзистор, управляемый электрическим полем, или транзистор с управляемым каналом для тока. В отличие от биполярных полевые транзисторы имеют высокое входное сопротивление и поэтому требуют очень малых мощностей для управления. Ток в полевом транзисторе создается носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), вследствие чего эти транзисторы часто называют униполярными. Носители заряда в полевом транзисторе являются основными для активной области и его параметры не зависят от времени жизни неосновных носителей (как у биполярных транзисторов). Это и определяет высокие частотные свойства и меньшую зависимость от температуры. Изготавливают полевые транзисторы из кремния. В зависимости от электропроводности исходного материала различают транзисторы с р- и п-каналом. Каналом считают центральную область транзистора. Электрод, из которого в канал поступают основные носители заряда, называют истоком U, а электрод, через который основные носители уходят из канала, - стоком С. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором 3. Полевые транзисторы подразделяются на два основных типа: с затвором в виде p-n-перехода и с изолиро­ванным затвором. Структурная схема; схема включения и схемное изображение полевого транзистора с затвором в виде р-n-перехода показаны на рис. 90. Рис. 90 Полевой транзистор с затвором в виде p-n-перехода: а) структурная схема; б) схема включения; схемное изображение Полевой транзистор представляет собой пластину, например, и-типа, на верхней и нижней гранях которой создаются области с проводимостью противоположного типа, например, р-типа. Эти области электрически связа­ны, образуя единый электрод-затвор. Область с проводимостью, расположенная между областями; образует токовый канал. На торцевые поверхности пластины нано­сят контакты, образующие два других электрода U и С, к которым подключается источник питания Uc и при необ­ходимости сопротивление нагрузки. Между каналом и затвором создаются два р-n-перехода. Ток протекает от истока к стоку по каналу, сечение которого зависит от затвора. При увеличении отрицательного потенциала на затворе p-n-переходы запираются и расширяются практически за счет канала, сечение канала, а следовательно, и его проводимость, уменьшаются, ток через канал падает, (рис. 91 а). При некотором UЗ = UЗО, называемом напряже­нием отсечки, области p-n-переходов смыкаются по всей длине канала, сток и исток оказываются изолированными друг от друга, ток 1с равен нулю. Если при U3 = const увеличивать Uc, то ток через канал (Iс) возрастет (рис. 91 б). При этом увеличивается падение напряжения на канале, которое способствует увеличению обратного напряжения на p-n-переходах, вызывая тем самым сужение канала. При некотором Uc = Uнac, на­зываемом напряжением насыщения, канал настолько су­жается, что дальнейшее увеличение Uc не увеличивает 1с. Полевые транзисторы с изолированным затвором или МДП-транзисторы находят более широкое применение, так как имеют более простую конструкцию и облада­ют лучшими электрическими свойствами. У МДП-транзисторов (металл - диэлектрик - полупроводник) между полупроводниковым каналом и металлическим затвором расположен изолирующий слой диэлектрика. Рис. 91. Вольтамперные характеристики полевого транзистора с затвором в виде p-n-перехода: а) стоково-затворная (передаточная); б) стоковая Принцип работы МДП-транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника под воздействием поперечного электрического поля. Они управляются напряжением и имеют чрезвычайно большое входное сопротивление и в отличие от полевых транзисторов с затвором в виде р-n – перехода сохраняют его большим независимо от величины и полярности входного напряжения. Применяются две конструк­ции МДП-транзисторов: со встроенным каналом и с инду­цированным каналом. У МДП-транзисторов со встроенным каналом в полупроводниковой пластине (подложке), например, n-типа, в процессе изготовления в приповерхностном слое созда­ются области, например р-типа, образующие электроды стока (С) и истока (U) (рис. 92 а). Перемычка между С и U с проводимостью p-типа является каналом для протекания тока стока 1С даже при отсутствии управляющего напряже­ния U3 = 0 на затворе. При подаче положительного напряжения на затвор электрическое поле выталкивает основные носители (дырки) из канала, его сопротивление растет, а Ic падает. Рис. 92. МДП-транзистор со встроенным каналом: а) структурная схема б) передаточная характеристика; в), г) схемное изображение Такой режим носит название «режима обеднения». При отрицательном напряжении на затворе электрическое поле притягивает дырки из подложки, они скапливаются в области канала, сопротивление канала уменьшается, Iс рас­тет («режим обогащения»). Передаточная характеристика МДП-транзистора показана на (рис. 92 б). Его стоковые характеристики Ic = f(U) при U3 = const по виду аналогичны характеристикам транзистора с затвором р-п-типа (рис. 91 б). Схемные изображения МДП-транзисторов со встроенным каналом n-типа и р-типов представлены на рис. 92 в. У МДП-транзисторов с индуцированным каналом последний заранее не создается, и в транзисторах, использующих пластину с проводимостью, например, n-типа, при U3 > О и U3= 0 ток Iс = 0 (рис. 93, а,б). Рис. 93. МДП-транзистор с индуцированным каналом: а) структурная схема б) передаточная характеристика; в), г) схемное изображение Образование канала в таких приборах происходит при подаче на затвор только отрицательного напря­жения (U3 < 0). Тогда в результате вытеснения из поверх­ностного слоя электронов и подтягивания дырок из n - пластины происходит образование между стоком и ис­током инверсного слоя полупроводника с проводимостью, аналогичной проводимости С и U, в данном случае р-типа, и, чем более отрицательным будет напряжение на затворе, тем больший Iс будет в канале. Передаточная ха­рактеристика такого транзистора показана на (рис. 93 б). Стоковые характеристики МДП-транзистора с индуци­рованным каналом аналогичны характеристикам транзи­стора с затвором в виде p-n-перехода. Схемные изобра­жения МДП-транзисторов с индуцированным каналом п- и р- типов представлены на рис. 93 в. Основные характеристики полевых транзисторов: - крутизна характеристики передачи при - дифференциальное сопротивление стока (канала) на участке насыщения при Полевые транзисторы используются в усилителях, а также находят применение в качестве сенсорных датчиков, в устройствах для обнаружения скрытой проводки. Интегральные микросхемы Интегральная микросхема - микроэлектронное изделие, содержащее не менее пяти активных элементов (транзисторов, диодов) и пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, дросселей), которые изготавливаются в едином технологическом процессе, электрически соединены между собой, заключены в общий корпус и представляют неделимое целое. Основные параметры интегральных микросхем: • плотность упаковки (количество элементов в единице объема); • степень интеграции (количество элементов в микросхеме). По степени интеграции интегральные микросхемы делятся: I степень интеграции - до 10 элементов; II степень интеграции - от 10 до 100 элементов; III степень интеграции - от 100 до 1000 эле­ментов и т.д. По конструктивно-технологическому признаку на: Гибридные — пассивные элементы таких микросхем выполнены посредством нанесения пленок на поверхность диэлектрической подложки; активные элементы представляют собой бескорпусные полупроводниковые приборы (плотность упаковки - до 150 эл/см3; степень интеграции -I и II). , Полупроводниковые - все элементы таких микросхем выполнены в объеме и на поверхности полупроводника (плотность упаковки - до 105 эл/см3; степень интеграции - VI и выше). Интегральные микросхемы делятся на аналоговые и цифровые. Для аналоговых характерна пропорциональность входных и выходных сигналов, на них строятся усилители и генераторы аналоговых сигналов. Цифровые микросхемы применяются в ЭВМ. 2. Источники вторичного электропитания Электростанции вырабатывают электрическую энергию переменного тока частотой 50 Гц. Это объясняется необходимостью передачи энергии на большие расстоя­ния по высоковольтным линиям с использованием транс­форматоров напряжения. На практике же возникает необ­ходимость применения постоянного тока: в первую оче­редь это относится к устройствам электроники, питание которых осуществляется напряжением постоянного тока. Для преобразования переменного тока в постоянный служат электронные выпрямители, относящиеся к источникам вторичного электропитания. В состав электронного вы­прямителя входят: трансформатор, преобразующий напря­жение сети до необходимого значения; диоды, осуществ­ляющие выпрямление тока; сглаживающий фильтр, умень­шающий пульсации выпрямленного напряжения; стабили­затор, поддерживающий неизменным напряжение на на­грузке. В зависимости от назначения выпрямителя и предъ­являемых к нему требований некоторые из перечисленных узлов могут отсутствовать. В электронике наибольшее распространение получили однополупериодный и двухполупериодный выпрямители. Однополупериодный выпрямитель Работа однополупериодного выпрямителя (рис. 94) рассматривается в предположении, что диод – идеальный, т.е. сопротивление диода в прямом направлении равно нулю, а в обратном - бесконечно велико, U1,U2 – напряже­ния на первичной и вторичной обмотках трансформатора; RН – сопротивление нагрузки. Рис. 94. Схема и временные диаграммы однополупериодного выпрямителя На временных диаграммах токов и напряжений, рис. 80: t - время; I0 и U0 - средние значения (постоянные составляющие) выпрямленного тока и напряжения. В течение первого полупериода напряжения U, когда положительный потенциал приложен к аноду диода, он открыт и через нагрузочное сопротивление RH пойдет ток iн = iд; при этом все напряжение окажется приложенным к Rн (). Во второй полупериод полярность напряжения на вторичной обмотке трансформатора изменится на противоположную и диод окажется включенным в обрат­ном направлении, ток прекратится и все напряжение окажется приложенным к закрытому диоду. Из временных диаграмм видно, что ток iн и напряжение ин имеют пульсирующий характер и значительно отличаются от постоянных. Для однополупериодного вы­прямителя справедливы следующие соотношения: ; Для характеристики степени пульсации выпрямленного напряжения вводят коэффициент пульсации ; где - амплитуда наибольшей гармоники, для однополупериодного выпрямителя эта гармоника имеет частоту, равную частоте питающей сети переменного тока; I0 - по­стоянная составляющая выпрямленного напряжения; для од­нополупериодного выпрямителя = 1,57. Основным преимуществом однополупериодного выпрямителя является его простота, а недостатками - большой коэффициент пульсаций и малые значения выпрямленного тока и напряжения. Поэтому значительно большее распро­странение получили двухполупериодные выпрямители, а ко­торых выпрямленное напряжение создается в оба полуперио­да напряжения сети. Двухполупериодный выпрямитель Двухполупериодные выпрямители бывают двух типов: мостовые и с выводом средней точки вторичной об­мотки трансформатора. Большее распространение получил мостовой выпрямитель (рис. 95). В один из полупериодов напряжения сети (wi), когда верхний зажим вторичной обмотки транс­форматора имеет положительный потенциал по отноше­нию к нижнему зажиму, диоды 1 и 3 открыты, а диоды 2 и 4 закрыты. В этот полупериод ток проходит от верхнего зажима вторичной обмотки трансформатора через диод 1 (ток i'i), нагрузочный резистор Rн диод 3 (ток I3) к нижнему зажиму обмотки трансформатора. Рис. 95. Схема (а) и временные диаграммы (б) мостового электронного выпрямителя В отрицательный полупериод напряжения диоды 1 и 3 закрыты, а диоды 2 и 4 открыты, ток проходит от нижнего зажима через диод 4 (ток I4), нагрузочный резистор Rн диод 2 (ток I2) к верхнему зажиму обмотки транс­форматора. При этом в течение всего периода ток I через резистор R и напряжение на нем имеют одно и то же на­правление. Для рассматриваемого двухполупериодного вы­прямителя справедливы следующие соотношения: , где - амплитуда наибольшей гармоники, которая для двухполупериодного выпрямителя имеет частоту вдвое большую, чем частота питающей сети. По сравнению с однополупериодным, мостовой выпрямитель более эффективен: средние значения выпрямленного тока и напряжения у него в 2 раза больше, а пульсации значительно меньше. Коэффициент пульсаций напряжения kпульс, питающего электронную аппаратуру, должен составлять до­ли процента. Двухполупериодный выпрямитель создает пульсирующее напряжение с kпульс= 0,67. Поэтому для уменьшения пульсаций до требуемого уровня применяют устройства, называемые сглаживающими фильтрами. Различают емкостные, индуктивные, комбинированные (Г-образные, П-образные) фильтры. Емкостной фильтр На схеме однополупериодного выпрямителя (рис. 96 а) емкостной фильтр выполнен в виде конденсатора Сф, включенного параллельно нагрузочному резистору Rн. Конденсатор Сф заряжается через диод до амплитудного значения напряжения u2 в моменты времени, когда напряжение u2 на вторичной обмотке трансформатора превышает напряжение на конденсаторе. Когда напряжение uс > и2, ди­од закрыт и конденсатор разряжается через нагрузочное со­противление RH с постоянной времени τразр = RнCф. Рис. 96. Схема (а) и временные диаграммы (б) однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром Как показывает временная диаграмма на рис. 96 б, при разряде Сф напряжение ин не уменьшается до нуля во вторую половину периода, а пульсирует в некоторых пределах, увеличивая среднее значение выпрямленного напряжения по сравнению с однополупериодным выпрямителем без фильтра. Аналогично работает емкост­ный фильтр в двухполупериодном выпрямителе, с той лишь разницей, что коэффициент пульсаций получается меньшим. Емкость конденсатора Сф выбирают такой, чтобы выполнялось соотношение τразр = RнCф > 5Т. Здесь Т= 1 / fосн, - период основной, наибольшей гармоники пульсирующего напряжения. Коэффициент пульсаций выпрямителя с емкостным фильтром может быть снижен до 102. Емкостный фильтр целесообразно применять с высокоомным нагру­зочным резистором, т.е. при малых токах нагрузки. При этом мощность Рн не должна быть больше нескольких де­сятков ватт. Индуктивный фильтр Действие индуктивного фильтра Lф основано на том, что сопротивление катушки индуктивности постоянному току мало, а сопротивление переменному току может быть сделано большим. Поэтому при вклю­чении Lф последовательно с активным сопротивлением нагрузки Rн (рис. 97) падение напряжения на Rн от пере­менной составляющей тока снижается, т.е. пульсации вы­прямленного напряжения уменьшаются. Рис. 97. Схема включения индуктивного фильтра Г-образный и П-образный фильтры Для более значительного уменьшения пульсаций применяют комбинированные Г-образные или П-обратые фильтры (рис. 98). В маломощных выпрямителях с целью уменьшения массы, габаритов и стоимости фильтра катушку Lф часто заменяют резистором Rф. Для характеристики эффективности действия сглаживающего фильтра вводится коэффициент сглаживания , где , - коэффициент пульсации на нагрузке при отсутствии и наличии фильтра, соответственно. Рис. 98. схема Г-образного (а) и П-образного сглаживающих фильтров Если Г-образный или П-образный сглаживающие фильтры из отдельных звеньев не позволяют уменьшить пульсации до необходимого уровня, то применяют соединенные последовательно многозвенные фильтры. Общий коэффициент сглаживания такого фильтра равен произве­дению коэффициентов сглаживания фильтров, из которых он состоит. В настоящее время используются электронные фильтры, в которых вместо индуктивностей включают транзисторы. Внешние характеристики выпрямителя Внешней или нагрузочной характеристикой выпрямителя называют зависимость напряжения на нагрузке UH от тока нагрузки IH . Характер этой зависимости можно уяснить из рис. 99. Рис. 99. Эквивалентная схема выпрямителя и его внешние характеристики Выпрямитель можно рассматривать как источник напряжения постоянного тока с некоторой эквивалентной ЭДС, равной напряжению холостого хода Uхх (напряжению на выходе выпрямителя при токе нагрузки Iн = 0) и внутренним сопротивлением Rвн. Из эквивалентной схемы следует, что , выражение показывает, что с ростом выпрямленного тока падение напряжения на Rн увеличивается и напряжение Uн на нагрузке уменьшается. Сопротивление диодов в прямом направлении зависит от тока, поэтому внешняя характеристика Iн =f(ин) является нелинейной. Однако при малом сопротивлении цепи выпрямителя эта нелинейность может быть слабо выражена. На внешних характеристиках выпрямителя кри­вая 1 без сглаживающего фильтра и кривая 2 с емкостным фильтром. Кривая 2 расположена выше. Это объясняется тем, что при наличии емкостного фильтра в режиме холостого хода (при /„ = 0) конденсатор Сф заряжается до ам­плитудного значения выпрямленного напряжения UH = U2m, что по величине больше, чем среднее значение выпрямленного напряжения в отсутствие сглаживающего фильтра. Примерно такая же картина будет и при применении Г-образного или П-образного фильтров. 3. Стабилизаторы напряжения постоянного тока Напряжение источников питания электронной аппаратуры может изменяться при колебаниях напряжения сети переменного тока, а также при изменении силы тока, потребляемого аппаратурой. Для нормальной работы элек­тронной аппаратуры в ряде случаев требуются напряжения питания более стабильные, чем могут обеспечить обычные источники напряжения постоянного тока. Повышение ус­тойчивости питающего напряжения достигается примене­нием стабилизаторов напряжения. Стабилизаторы делят на параметрические и компенсационные. Основным параметром, характеризующим качество работы стабилизатора напряжения, является коэффициент стабилизации , где - приращения входного и выходного напряжений; - номинальные значения входного и выходного напряжений. Наиболее простым стабилизатором напряжения яв­ляется параметрический. Величина балластного сопротивления зависит от пределов изменения входного напряжения, тока нагрузки . Схема стабилизатора (рис. 100 а) содержит стабилитрон, включенный в обратном направлении, балластное со­противление RБ и сопротивление нагрузки RH. На рис. 100 б показана вольт-амперная характеристика стабилитрона, включенного в обратном направлении. При малых входных напряжениях (Uвх) напряжение на стабилитроне (Uст) будет также малым, ток стабилитрона (Iст) ничтожно мал, так что можно считать стабилитрон как бы отключенным от схемы. При этом Iвх = Iн и напряжения на резисторах RБ и RH будут распределяться пропорционально их сопротивлениям, а за­висимость будет приблизительно прямо про­порциональной. Когда входное напряжение возрастет на­столько, что напряжение на стабилитроне достигнет вели­чины пробоя, ток через стабилитрон резко возрастет. Это приведет к большому падению напряжения на балластном сопротивлении Rб, а выходное напряжение Uвых = Uст, при изменении входного напряжения в определенных пределах будет оставаться почти неизменным. Сказанное иллюстри­руется основной характеристикой параметрического стаби­лизатора, показанной на рис. 100. Предель­ные значения определяются из выражения ; ; Рис. 100. Схема параметрического стабилизатора, вольт-амперная характеристика стабилитрона и характеристика параметрического стабилизатора Для получения большего значения коэффициента стабилизации целесообразно выбрать значение RБ ближе к RБ max- При выборе сопротивления RБ необходимо, чтобы оно удовлетворяло требованию рассеивания максимальной мощности, определяемой выражением . При найденном значении RБ коэффициент стабили­зации . Компенсационные стабилизаторы являются системами автоматического регулирования, в которых за счет отрицательной обратной связи обеспечивается неизмен­ность напряжения на нагрузке с большой степенью точно­сти. Компенсационные стабилизаторы выполняются на полупроводниковых дискретных элементах и в интеграль­ном исполнении. 4. Электронные усилители Электронным усилителем называют устройство, предназначенное для усиления напряжения, тока и мощности электрических сигналов. При этом наиболее важным является усиление мощности, так как усиление напряжения (без усиления мощности) можно получить просто с помощью трансформатора. Следует подчеркнуть, что мощность сигналов в электронных усилителях усиливается за счет энергии источников питания. Электронный усилитель является наиболее распространенным электронным устройством. Он непосредст­венно используется в проводной связи, в звуковом кино, в автоматике для усиления сигналов датчиков, измерения электрических и неэлектрических величин, в управляющих и регулирующих устройствах, а также в аппаратуре геоло­гической разведки, точного времени, медицинской, музы­кальной и многих других случаях. Кроме того, электрон­ные усилители применяют в других электронных устрой­ствах: электронных генераторах, преобразователях формы и частоты сигналов и др. Усилители можно подразделить на ряд типов по различным признакам. Наиболее часто их классифицируют по диапазонам частот усиливаемых сигналов. Усилители постоянного тока (УПТ) предназначены для усиления напряжения постоянного тока или медленно изменяющихся сигналов. Их используют для усиления сигналов различных датчиков, называемых также первич­ными преобразователями. Усилители звуковых частот (УЗЧ) предназначены для усиления электрических сигналов в звуковом диапазоне частот (от 20 Гц до 20 кГц). Усилители низкой частоты (УНЧ) используют для усиления сигналов в диапазоне час­тот от 20 Гц до 100 кГц. Избирательные, или селективные (резонансные), усилители усиливают сигналы в сравнительно узкой полосе частот. Наиболее часто их используют в радиоэлектрон­ной аппаратуре, в частности для усиления высокочастот­ных колебаний в радиоприемниках, сокращенно их обо­значают УВЧ-усилители высокой частоты. Широкополосные усилители предназначены для усиления широкого спектра частот (от десятков герц до нескольких мегагерц) и используются, например, в телевизионных приемниках. Усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером. Рассматриваемый усилитель (рис. 101) предназначен для усиления гармонических сигналов (сигналов сину­соидальной формы) в диапазоне низких частот. Название такой схемы объясняется тем, что эмиттер здесь является общим для входной и выходной цепей. Схема имеет наи­большее распространение, так как она обеспечивает наи­большее усиление мощности сигнала. Приведенные на рис. 101 элементы имеют следующее назначение: транзистор р-п-р - усилительный элемент; +ЕК и -EА - зажимы источника питания схемы; R1, R2 - резисторы делителя напряжения, обеспечивающего подачу напряжения питания базы для установки нужного режима работы усилительного элемента (транзи­стора); Rк - резистор коллекторной нагрузки; R3, Сэ - эле­менты схемы температурной стабилизации режима рабо­ты транзистора; С1и С2 - конденсаторы, служащие для разделения постоянных и переменных токов в схеме. Рис. 101. Схема электронного усилителя на биполярном транзисторе Для анализа работы усилителя используют входную характеристику транзистора и семейство выходных характеристик. Рис. 102. Вольт-амперные характеристики усилителя При выборе точки покоя на прямолинейном участке проходной характеристики, рис. 102 и при условии, что напряжения и токи не выходят за пределы линейного участка, можно получить переменную составляющую коллекторного тока такой же формы, как напряжение сигнала, подаваемого на базу, т.е. получить неискаженное усиление сигнала. Усиление здесь достигается за счет того, что ток коллектора, образуемый от энергии источника питания, во много раз больше, чем ток базы, а напряжение сигнала на коллекторной нагрузке, определяемое произведением тока на сопротивление нагрузки, также во много раз больше напряжения сигнала, подаваемого на базу. Основные характеристики усилителя: Амплитудно-частотная характеристика (рис. 103 а) представляет собой зависимость коэффициента усиления от частоты сигнала . Рис. 103. Амплитудно-частотная и амплитудная характеристики усилителя Коэффициент усиления уменьшается на нижних частотах вследствие увеличения реактивного сопротивления разделительных конденсаторов , включен­ных последовательно в цепях прохождения сигналов. В результате большая часть напряжения падает на этих конденсаторах и выходное напряжение уменьшается. Уменьшение коэффициента усиления на верхних частотах объясняется уменьшением реактивного сопротивления паразитной емкости, шунтирующей (включенной параллельно) нагрузочное сопротивление на выходе уси­лителя. Эта паразитная емкость обусловлена емкостью монтажных проводов, измерительных приборов или уси­лительных элементов последующих каскадов усилителя. Уменьшение коэффициента усиления на нижних Кн и верхних Кв частотах по сравнению с коэффициентом усиления на средних частотах К0 оценивают коэффициентами частотных искажений и . По частотной характеристике можно определить ширину полосы частот пропускания усилителя, т.е. полосу частот, в пределах которой коэффициент усиления уменьшается не более чем в раз. Полоса частот пропускания усилителя определяет качество его работы, так как для неискаженного усиления сигналов усилитель должен обеспечивать равномерное усиление всех частотных составляющих сигнала. Так, например, звуковая аппаратура высокого класса имеет поло­су пропускания до 20 кГц, а аппаратура радиосвязи горно­спасателей ограничивается полосой пропускания 300-3000 Гц. Амплитудная (динамическая) характеристика (рис. 103 б) усилителя представляет собой зависимости выходного напряжения от входного . С ростом входного напряжения выходное напряжение сначала увеличивается пропорционально, а с некоторого значения рост замедляется и прекращается. Это объясняется тем, что усиливаемый сигнал начинает выходить за пределы линейного участка проходной характеристики транзистора (рис. 102 в). Действительно, каждый транзистор обладает своим предельно максималь­ным током коллектора, который не возрастает при увели­чении напряжения на базе. По амплитудной характеристике усилителя можно судить о диапазоне входных напряжений, которые он ох­ватывает. Эмиттерный повторитель На рис. 104 приведена электронная схема эмиттерного повторителя. Рис. 104. Электронная схема эмиттерного повторителя Выход усилителя - коллектор - по переменной составляющей напряжения соединен с входом (с общим за­землением), так как внутренним сопротивлением источни­ка питания Ек из-за его малости можно пренебречь. В указанном усилителе нагрузочный резистор Rн, с которого снимается выходное напряжение, включен в эмиттерную цепь. В приведенной на рис.104 схеме так же, как и в усилителе с общим эмиттером, используется транзистор типа р-п-р, источник питания Ек, резисторы делителя напряжения питания базы R1, R2, разделительные конденса­торы С1,С2. Коэффициент усиления мощности сигнала опре­деляется только усилением тока. Выходное напряжение совпадает по фазе с входным и по величине Uвых ≈ Uвх, поэтому указанную схему и называют эмиттерным повто­рителем. Эмиттерный повторитель имеет большое входное и малое выходное сопротивления, поэтому его применяют для согласования высокоомного источника усиливаемого сигнала с низкоомным нагрузочным устройством. Операционные усилители Операционным называют усилитель постоянного тока, имеющий большой коэффициент усиления и предназначенный для выполнения различных операций над ана­логовыми величинами. Операционный усилитель (ОУ) имеет дифференциальный вход (два входных ввода) и один общий выход. На рис. 105 приведено обозначение опера­ционного усилителя на схемах. Рис. 105. Обозначение ОУ на схемах Идеальный ОУ имеет коэффициент усиления по напряжению Ки → ∞, большое входное сопротивление, малое выходное сопротивление , усиливает широкий спектр частот вплоть до постоянной составляющей. Дрейф нуля операционного усилителя мал. Использование двух источников питания (рис. 105) позволяет подавать на вход ОУ как положительные, так и отрицательные сигналы. Вход 1 ОУ называют инвертирующим и обозначают знаком минус или кружком; вход 2 называют неинвертирующим и обозначают знаком плюс или употребляют без знака. В области низких частот выходное напряжение ОУ находится в той же фазе, что и разность входных напряжений. Зависимость ОУ от представлена на рис. 106. Она практически линейна в диапазоне . Этот диапазон называется областью усиления. Вне диапазона усиления находится диапазон насыщения. Дифференциальный коэффициент усиления ОУ определяется соотношением . Непосредственно в качестве усилителя ОУ без обратной связи не используют, что обусловлено двумя при­чинами: линейный участок передаточной характеристики ограничен малыми входными напряжениями, коэффициент усиления по напряжению Ки нестабилен. Рис. 106. Передаточная характеристика ОУ Наибольшее практическое применение имеют инвертирующие ОУ с параллельной отрицательной обрат­ной связью (ООС) по напряжению (рис. 107). Для такой схемы при чисто активных сопротивлениях Z1=R1 и Z2=R2 коэффициент усиления усилителя определяется по формуле . Рис. 107. Инвертирующий усилитель на ОУ На базе таких ОУ создаются схемы, предназначенные для выполнения различных математических операций над входными сигналами. Такие схемы находят широкое применение в устройствах автоматического управления, они составляют основу аналоговых вычислительных машин. 5. Электронные генераторы гармонических сигналов Электронным генератором называется устройство, преобразующее энергию источника питания в энергию переменного тока определенной формы и частоты с помо­щью электронных приборов. Электронные генераторы находят широкое приме­нение в различных областях техники и в быту. Впервые их начали применять в радиопередающих устройствах для связи и радиовещания. Электронные генераторы используют для решения всевозможных технических задач, таких как высокочастотная закалка и сушка, разупрочнение мерзлых пород, влагометрия. Наконец, электронные гене­раторы начали использовать и в быту - в качестве примера можно назвать микроволновые печи, обладающие опреде­ленными преимуществами при приготовлении пищи. Электронные генераторы можно классифицировать по различным признакам: по способу возбуждения – с посторонним возбуждением и самовозбуждением (автогенераторы); по форме генерируемых колебаний – генераторы гармонических (синусоидальных) колебаний и несинусоидальных (релаксационных) колебаний; по диапазону генерируемых частот – низкочастот­ные (до 100 кГц), высокочастотные (100 кГц-100 МГц), генераторы сверхвысоких частот (СВЧ) - свыше 100 МГц, генераторы оптического диапазона. Электронные генераторы с постоянным возбуждением, по существу, являются избирательными (резонанс­ными) усилителями. Генератор с самовозбуждением назы­вается автогенератором. По принципу действия автогенераторы можно раз­делить на три вида: 1) автогенераторы с положительной обратной связью – такие генераторы имеют наибольшее распространение; 2) генераторы с отрицательным сопротивлением, например, построенные на туннельных диодах; 3) автогенераторы, в которых используется устройство, сопротивление которого в процессе работы изме­няется скачком (например, электронный прибор в ключе­вом режиме). Рассмотрим принцип действия автогенератора с положительной обратной связью (рис. 108). Коэффициент усиления по напряжению, коэффициент обратной связи , ; - напряжение обратной связи. Из выражений для следует, что . Если за счет подбора β добиться, чтобы , то . Если при выполнении этих условии отключить напряжение Um от постороннего источника и подключить на вход усилителя Uoc = Uвх, то усилитель будет в тех же условиях, в каких он находился, когда на его вход подавалось напряжение от постороннего источника, и, таким об­разом, усилитель превращается в автогенератор. Рис. 108. Структурная схема усилителя с разомкнутой цепью обратной связи и превращение его в автогенератор Выполнение условия Uoc = Uвх называется выполнением условием баланса амплитуд. Кроме выполнения этого условия для превращения усилителя в автогенератор необходимо также выполнение условия баланса фаз, при котором напряжение Uoc совпадает по фазе с напряжением Uвx. При этом потери энергии в ав­тогенераторе восполняются через цепь обратной связи от источника питания автогенератора. Колебания на выходе схемы поддерживаются в такт (в фазе) колебаниям, посту­пающим на вход через цепь обратной связи. При β < 1/k напряжение на входе через цепь обратной связи окажется слишком малым и колебания на входе прекратятся. При β > 1/k напряжение на выходе будет возрастать до тех пор, пока нелинейность вольт-амперной характеристики усилителя не приведет к уменьшению k до значения, при котором будет выполняться условие Uoc = Uвx. Если условия баланса амплитуд и фаз выполняются для одной частоты, автогенератор будет генерировать гармонические колебания. Если условия выполняются для полосы частот, то в генераторе будут возникать несину­соидальные колебания. При использовании в генераторе LC колебательного контура образуются LC - автогенераторы, работающие на высоких частотах. В случае применения в качестве эле­ментов схемы резисторов и конденсаторов образуются RC-автогенераторы, используемые для генерирования низких частот. На рис. 109 показана упрощенная схема LC-автогенератора синусоидальных колебаний с индуктивной об­ратной связью. Она состоит из транзистора типа п-р-п, колебательного контура LkCk, катушки обратной связи Loc и источника питания Еn. При замыкании ключа К напряжение источника питания вызывает коллекторный ток, который из-за индуктивности катушки Lk будет нарастать постепенно, при этом заряжается конденсатор Ск. В генераторе используется контур с малыми потерями, т.е. с вы­сокой добротностью, поэтому разряд конденсатора через катушку Lk будет носить колебательный характер. Пере­менный ток в контуре через взаимоиндукцию М возбудит напряжение в катушке обратной связи Loc, которое попа­дет на базу транзистора и вызывает пульсацию тока базы и коллекторного тока. Переменная составляющая коллек­торного тока создаст переменное напряжение на колеба­тельном контуре, которое при выполнении условий балан­са фаз и амплитуд превратит колебания в контуре в неза­тухающие. Рис. 109. Упрощенная схема LC –автогенератора Частота возникающих колебаний определяется частотой собственных колебаний контура . При необходимости построения автогенераторов в диапазоне низких частот использование LC - колебательных контуров нецелесообразно, так как такие контуры становятся громоздкими и имеют добротность меньшую, чем необходимо для самовозбуждения генератора. Генераторы самовозбуждения низкой частоты строят по другим схемам и в качестве цепей обратной связи используют элементы в виде резисторов и конденсаторов. В схеме RC – автогенератора с двойным Т – образным мостом (рис. 110) на очень низких частотах, при ω → 0 коэффициент обратной связи β → 1, так как сопротивления конденсаторов становятся большими и все напряжение uвых через один «верхний» T-образный мост (R, 2C, R) передает­ся на вход в виде напряжения обратной связи иос. На очень высоких частотах при ω → ∞ коэффициент β → 1, так как сопротивления конденсаторов становятся малыми и все напряжение с выхода схемы через «нижний» T-образный мост (С, R/2, С) передается на ее вход. На квазирезонансной частоте ω0 = 1/RC (когда реактивное сопротивление 1/ ω0С становится равным R) общий коэффициент передачи β = 0, так как на этой частоте каждый из одинарных T-образных мостов, из кото­рых состоит двойной T-образный мост, имеет равные по модулю и противоположные по фазе коэффициенты пе­редачи и их выходные токи взаимно компенсируются, так что иос = 0. На этой частоте в RС-автогенераторе возбуждаются колебания. Рис. 110. Схема двойного T-образного моста 6. Логические элементы Логические элементы - это электронные приборы, выполняющие простейшие логические операции. В настоящее время промышленность выпускает такие элемен­ты в основном в интегральном исполнении. Логические элементы используются в большинстве цифровых инте­гральных микросхем, являясь их основными элементарны­ми кирпичиками, которые во многом определяют их пара­метры. Анализ работы логических интегральных микросхем базируется на использовании аппарата математической логики. Все переменные в алгебре логики принимают толь­ко два значения, «единица» или «ноль», и любые математи­ческие действия над этими переменными обеспечивают ре­зультат также либо в виде «1», либо «О». Логические эле­менты дают возможность изображать логические перемен­ные с помощью электрических сигналов (напряжения или тока). Используются два возможных способа представления логической переменной: потенциальный и импульсный. При потенциальном способе «1» и «О» соответствуют два раз­личных уровня напряжения; при импульсном - значениям «1» и «0» соответствует появление и непоявление импульса в определенные промежутки времени. Наибольшее распространение получил потенциальный способ. При потенци­альном способе задания различают положительную и отри­цательную логику. При положительной логике высокий уровень напряжения соответствует «1», низкий - «О»; при отрицательной логике - наоборот. Логические интегральные микросхемы отличаются большим разнообразием, поэтому широко используются их классификации: по выполняемым логическим функциям (операциям); по типу транзисторов, на основе которых они построены. Решение любой логической задачи может быть вы­полнено с помощью трех основных логических операций: отрицания («НЕ»), сложения («ИЛИ») и умножения («И»). Операция «НЕ» или логическая операция отрица­ния означает, что при этой операции логическая функция Y противоположна аргументу X. Аналитически это может быть записано как Y = X (читается «не X»). Таблица истинности (таблица состояния входных и выходных переменных) имеет вид: X Y 1 1 Логический элемент, выполняющий операцию отрицания, называется элементом «НЕ» (инвертором), условное обозначение приведено на рис. 111 а. Рис. 111. Условные обозначения логических элементов: элемента «НЕ» (а); элемента «ИЛИ» (б); элемента «И» (в); элемента «ИЛИ-НЕ» (г); элемента «И-НЕ» (д) Операция «ИЛИ» (логическое сложение или дизъюнкция) обозначается символами «+» или v, аналитически записывается как . или . Таблица истинности при двух аргументах имеет вид: XI XI Y 1 1 1 1 1 1 1 Элемент, осуществляющий операцию конъюнкции, называется элементом «И», реализуется логической интегральной микросхемой с двумя н бодее входами и одним выходом, на котором появляется сигнал «1» только тогда, когда на все входы одновременно поданы «1». Условное обозначение элемента «И» приведено на рис. 111, в. Помимо рассмотренных логических элементов широко используются универсальные, осуществляющие две и более логических операции одновременно- Чаще всего применяются логические элементы «ИЛИ-НЕ» (элементы Пирса) и «И-НЕ» (элемент Шеффера). Уравнение функции «ИЛИ-НЕ», , а функции «И-НЕ» . Условные обозначение этих элементов приведены на рис. 111 г, д. Для оценка качества логических интегральных микросхем используются их основные параметры и характеристики. К основным параметрам относятся: 1. Быстродействие - время реакции на изменение сигнала на входе. 2. Коэффициент объединения по входу Коб – число входов, с помощью которых реализуется логическая функция. Обычно Коб – 2-8. 3. Коэффициент разветвления по выходу Краз характеризует нагрузочную способность и показывает максимальное число аналогичных элементов, которые можно подключить к выходу данного элемента без нарушения его работы (Краз=4-10). 4. Помехоустойчивость - максимальное значение помехи на входе, при которой сохраняется нормальная работа. 5. Потребляемая мощность - мощность, потребляемая в состоянии «1» и «0». Основные характеристики позволяют: • входная - рассчитывать условия согласования при подключении к емкому какого-либо источника сигнала; • выходная - определять нагрузочную способность; • передаточная - определять порог срабатывания (значение напряжений, соответствующих логической «1» и логическому «0») и помехоустойчивость при работе друг на друга. Цифровые интегральные микросхемы в подавляющем большинстве могут быть выполнены на одних актив­ных элементах (транзисторах, диодах). Они не критичны к абсолютному уровню напряжений я токов и отличаются регулярностью структуры. Можно выделить четыре основных типа интегральных микросхем на основе биполярных транзисторов: • диодно-транзисторная логика, характерны высокая помехоустойчивость и невысокое быстродействие; • транзисторно-транзисторная логика, характерны высокое быстродействие, хорошая нагрузочная способ­ность, малая потребляемая мощность; • эмитгерно-связанная логика, обладающая самым высоким быстродействием; • инжекционно-интегральная логика, имеет высокое быстродействие, высокую степень интеграции и плотность упаковки, но низкую помехоустойчивость и малый перепад логических уровней. Базовым элементом логических интегральных микросхем на МДП-транзисторах также является инвертор, состоящий из транзистора и нагрузочного резистора в сто­ковой цепи, причем в качестве резистора тоже использует­ся МДП-транзистор. Такие интегральные микросхемы де­лятся на одноканалъные, в которых и МДП-транзистор и МДП-резистор имеют канал одного «р» или «n» -типа, и комплементарные, в которых используется пара МДП-транзисторов с каналами разного типа. Последние предпочтительнее, так как их отличает высокая технологич­ность, малая потребляемая мощность, высокая степень ин­теграции. 7. Генераторы прямоугольных импульсов Для получения прямоугольных импульсов используют релаксационные генераторы. Если релаксатор рабо­тает в ждущем режиме, то он имеет состояние устойчиво­го равновесия и состояние квазиравновесия. Переход из первого состояния во второе происходит под воздействи­ем внешнего запускающего импульса, а обратный пере­ход самопроизвольно по истечении некоторого времени, определяемого параметрами схемы. Такой релаксатор на­зывают одновибратором. В режиме автоколебаний ре­лаксатор имеет два состояния квазиравновесия, перехо­дит из одного состояния в другое без внешних воздейст­вий, генерируя импульсы, параметры которых зависят от параметров релаксатора. Такой релаксатор называют мультивибратором. Простейший мультивибратор на биполярных транзисторах (рис.112) представляет собой двухкаскадный усилитель с положительной обратной связью. Схема симметричная, т.е. VT1 и VT2 - транзисторы одного типа; С1=С2; RK1=RK2; R61=R62. Пусть в момент времени t = to транзистор VT1 закрылся, а транзистор VT2 открылся. В этом состояний ква­зиравновесия, т.е. в первом полупериоде колебаний, раз­ряжается конденсатор С1, по мере убыли разрядного тока, протекающего через Rб1, убывает напряжение на базе VT1. В момент, когда напря­жение на базе VT1 достигнет нулевого уровня, отпирается VT1; рост коллекторного тока последнего приводит к выводу VT2 из насыщенного состояния и восстановлению положительной обратной связи. В результате развивается лавинообразный процесс, завершающийся запиранием VT2 и переходом схемы во второе состояние квазиравновесия. Теперь разряжается С2 через R62 и насыщенный VT1. Вто­рой полупериод колебаний завершается в момент дости­жения напряжением на базе VT2 нулевого уровня; в этот момент отпирается VT2 и происходит обратное опрокиды­вание в первое состояние квазиравновесия. Заметим, что в первом полупериоде наряду с разрядом С1 идет заряд конденсатора С2 с постоянной времени τ3=RK1C2, а во втором полупериоде - заряд кон­денсатора С1 с постоянной времени τ3=RK2C1. Спустя промежуток времени t = 3τ, заряд конденсатора заканчива­ется, и напряжение на коллекторе становится равным Ек. Для улучшения формы импульсов в схему включают отсекающие диоды (на схеме не показаны). Рис. 112. Схема мультивибратора на биполярных транзисторах Построение симметричного автоколебательного мультивибратора на цифровых микросхемах, транзисторно-транзисторной логики аналогично устройству подобных приборов на дискретных элементах, с той лишь разницей, что усилительный каскад на транзисторе заменяется, логическим элементом «И-НЕ». Генераторы прямоугольных импульсов, построенные на цифровых логических элементах, получили широ­кое распространение на практике. Они отличаются высо­кой надежностью, хорошей стабильностью, простотой и требуют большого количества радиоэлементов для своего построения. Они могут создаваться как на основе простых логических элементов, выполняющих одну функцию: «И», «ИЛИ», «НЕ», так и на основе сложных, выполняющих две и более функций, например, «ИЛИ-НЕ», «И-НЕ» и др. 8. Триггерные устройства Триггер - это устройство, имеющее два состояния устойчивого равновесия и способное скачком переходить из одного состояния в другое под воздействием внешнего управляющего сигнала. В современной электронике триггеры выполняются либо на основе интегральных логических элементов, либо в виде интегральной микросхемы, представляющей собой завершенный функциональный элемент. Триггер на цифровых интегральных микросхемах имеет в своем составе собственно триггер и логическое управляющее устройство, которое определяет функциональные возможности триггера. Управляющее устройство преобразует поступающую на вход информацию в сигналы, управляющие собственно триггером. Сам триггер можно считать элемент памяти, записывающим полученную информацию. Триггерное устройство имеет информационные и тактовые (синхронизирующие) входы два выхода: прямой и инверсный. Состояние триггера определяется выходным сигналом в единичном состоянии или в нулевом. По способу записи информации триггеры подразделяются на асинхронные и синхронные (тактируемые). В асинхронных триггерах запись информации осуществляется непосредственно с поступлением информационного сигнала она его вход. В синхронных триггерах запись ин­формации происходит при подаче разрешающего (синхро­низирующего) импульса по уровню или по фронту 1/0 (0/1). В течение паузы между синхроимпульсами состоя­ние триггера сохраняется при любых изменениях инфор­мационных сигналов. По функциональному назначению триггерные уст­ройства разнообразны. На практике наибольшее примене­ние получили RS-, D-, Т-, JK- триггеры. Работу триггера удобно описать с помощью таблицы истинности, выра­жающей зависимость выходного сигнала триггера в мо­мент времени от входных сигналов и состояния триг­гера в предыдущий момент времени . Для асинхронного триггера момент времени наступает, когда под действием входных сигналов и в за­висимости от внутреннего состояния в момент времени tn выходной сигнал принимает значение, соответствующее последующему состоянию. Для синхронного триггера вре­мя и означает время до и после прихода синхроим­пульса. RS-триггер Асинхронные RS -триггеры являются простейшими и получили широкое распространение в импульсной и цифровой технике. В частности, они служат основой триг­геров других типов и легко могут быть построены на логи­ческих элементах типа «ИЛЙ-НЕ» или «И-НЕ». Условное обозначение асинхронного RS -триггера приведено на рис. 113 а, характер функционирования - в таблице истинности. Как видно из третьей строки, при отсутствии на входе RS -триггера импульсов сохраняется предыдущее со­стояние его входов. Одновременная подача логической «1» на оба входа запрещена из-за неопределенности состояния на выходе. Вход S Вход R Qt+1 1 1 1 1 Qt 1 1 * * В отличие от асинхронного RS -триггера, срабаты­вающего с приходом информационных сигналов R и S, синхронный триггер будет сохранять состояние Qt не­смотря на наличие информационных сигналов на входах, и только с приходом тактового импульса воспринимает ин­формацию по входам и переходит в новое устойчивое со­стояние. D-триггер Название происходит от английского слова delay -задержка, поэтому этот триггер называется триггером за­держки. Он имеет информационный вход D и вход син­хронизации С (рис. 113 6). Триггер является тактируемым и работает по про­стейшей логике, соответствующей таблице истинности: C D Qt+1 1 1 1 1 l 1 Qt Qt JK-триггер Это универсальный триггер, специфичный толь­ко для ИМС. JK-триггеры могут быть синхронными и асинхронными. Условное обозначение синхронного JK – триггера показано на рис. 113 г. При поочередном поступлении импульсов на вхо­ды JK - триггер работает подобно RS-триггеру, но при од­новременной подаче импульсов на оба входа JK – триггер меняет свое состояние на противоположное. J K Qt+1 Qt 1 1 1 1 1 1 Qt JK – триггер универсален, т.к. путем внешней ком­мутации может быть преобразован в RS - ,D -, Т - триггеры. Рис. 113. Условное обозначение RS-тиггера (а), D – триггера (б), Т-триггера (в); JK-триггера (г) 9. Новые разработки в оласти полупроводниковых приборов В последнее время крупные разработчики полу­проводниковых приборов, уделяют особое внимание соз­данию новых светодиодов, лазерных диодов и диодов Шоттки. Совместная работа исследовательских лабораторий японской корпорации Toshiba и Кембриджского универси­тета привела к созданию светодиодов, позволяющих сде­лать оптоволоконную связь практически неуязвимой для перехвата. Ученым удалось за счет внедрения полупровод­никовых нанотехнологий получить новый тип излучающих светодиодов, испускающих по одному фотону в заданный промежуток времени. Одним ИЗ: назначений данного изо­бретения является борьба против хакеров. Исследователи из Sandia National Laboratories осу­ществили интеграцию квантовых точек в светодиод, в ре­зультате чего был получен источник белого- света. Основ­ным отличием «квантовых» светодиодов Sandia от белых светодиодов, флуоресцирующих источников света и ламп накаливания является их высокая эффективность, деше­визна и простота изготовления, обусловленная отсутстви­ем сложных фосфористых соединений. Под квантовыми точками подразумеваются наноструктуры размером мень­ше длины волны видимого света. Наноструктуры перево­дятся в возбужденное состояние поглощением высокоэнергетичных ультрафиолетовых фотонов, а затем переиз­лучают тепловые фотоны в непрерывном спектре. На дан­ный момент используются наноструктуры (микрокристал­лы сульфата кадмия), которые излучают в видимом диапа­зоне только при возбуждении ультрафиолетом. Обычно эффективность (аналогичная коэффициенту полезного действия) у фосфористых источников не превышает 50% из-за рассеяния света, в то время как в новом светодиоде эффективность может быть близка к 100%, так как рассея­ние сводится к минимуму (из-за того, что размер наност­руктур меньше длины волны). Японская компания Sony разработала новый двух-волновой лазерный диод, предназначенный для использо­вания в приводах дисков CD/DVD. При изготовлении дио­дов использована специальная гибридная технология, бла­годаря которой удалось разместить элементы лазера в столь малом объеме. Диоды крайне малы, их диаметр со­ставляет 5.6 мм, при толщине в 3 мм. Диоды Шоттки основаны на эффекте образования потенциального барьера на границе между металлом и по­лупроводником и характеризуются малым временем пере­ключения. Фирма Infineon, дочернее предприятие немецкого концерна Simens, приступила к промышленному произ­водству мощных диодов Шоттки на основе карбида крем­ния (SiC). Этот материал имеет ряд существенных пре­имуществ: по электропроводности не уступает меди, обес­печивает граничную частоту до 500 килогерц и выдержи­вает в десять раз более высокие напряжения, чем такие традиционные полупроводниковые материалы, как арсенид галлия, кремний, германий или селен. Благодаря таким параметрам новые диоды получат широкое применение при создании компактных и дешёвых электронных схем для компьютерной и телекоммуникационной техники (на­пример, малогабаритных блоков питания для компьюте­ров, которые не нуждаются в радиаторах и шумящих вен­тиляторах). Компания Royal Philips Electronics выпустила се­мейство диодов Шоттки для использования в высокочас­тотных цепях в мобильных телефонах. Новые диоды имеют чрезвычайно низкую электрическую емкость (меньше 1 пФ). Из-за рекордно низких показателей ем­кости новые диоды особенно перспективны для всех устройств, где есть блоки преобразования ВЧ-сигналов, в особенности для сотовых телефонов. Полупроводниковый транзистор рассматривается современными исследователями как элемент микросхем. Передовые достижения в области транзисторов обусловле­ны кризисом мощности, который заставляет инженеров пересматривать конструкцию таким образом, чтобы мини­мизировать потребляемый ток и/или выделяемую энергию. Корпорация ЮМ разработала новый транзистор со сдвоенным затвором (Double Gate transistor). Новая конст­рукция позволяет удвоить пропускаемый по каналу элек­трический ток или уменьшить электрический потенциал, прилагаемый к затвору, без потери качества управления. Технологией Double Gate IBM вклинивается в ос­новные структурные элементы транзисторов. Транзистор состоит из трех базовых элементов: истока, затвора и сто­ка. Затвор находится над истоком и стоком и на одинако­вом расстоянии от них - как перекладина буквы П. Исток и сток, в свою очередь, расположены поверх кремниевой подложки, а в случае IBM - еще и поверх слоя, называемо­го «кремний на изоляторе» (Silicon on Insulator, SOI). В транзисторах со сдвоенным затвором затвор не просто помещается над парой исток-сток, а охватывает ее с обеих сторон как тиски. Вся эта структура размещается на слое SOI. Причем буква П поворачивается на бок, так что все три элемента касаются слоя SOI, в результате качество изоляции улучшается. Специалисты компании AMD (Advanced Micro De­vices) считают, что ускорение работы транзисторов и их дальнейшая миниатюризация - основное условие получе­ния более мощных процессоров, и предлагают для этого несколько путей. Первый из предложенных способов основывается на технологии FDSOI (полностью обедненный кремний на изоляторе). Транзисторы, изготовленные по такой техно­логии, обгоняют в быстродействии транзисторы PMOS (металоксидный полупроводник с Р-каналом) на 30%. Еще одна технология, разработанная исследователями AMD, заключается в применении напряженного кремния (Strained Silicon) в сочетании с металлизированными за­творами. Металлизированные затворы — новейшая разра­ботка компании AMD, использующая для создания затво­ров силицид никеля, в отличие от обычных транзисторов, в которых для данной цели служит поликристаллический кремний. Быстродействие транзисторов, использующих металлизированные затворы, на 25% превышает скорость работы обычных транзисторов. Использование металлизи­рованных затворов позволит усовершенствовать сущест­вующий процесс изготовления транзисторов и обеспечит их дальнейшую миниатюризацию. Современные транзисторы SOI работают на тонком слое кремния, под которым находится изолятор, не допус­кающий утечки тока в подложку. Быстродействие такого транзистора зависит от толщины кремния, чем подложка тоньше, тем выше скорость тока, и, соответственно, уско­ряется работа транзистора. Полностью обедненный крем­ний позволяет достичь наивысшего на данный момент бы­стродействия. Заряд может течь быстрее не только за счет уменьшенной толщины кремния, но и за счет того, что его кристаллическая решетка разрежена — атомы более удалены друг от друга. Исследователи полагают, что сочетание технологий полностью обедненного кремния и металлизи­рованных затворов обеспечит дополнительные преимуще­ства при разработке микросхем на основе новых полупро­водниковых технологий. Корпорация Intel разработала транзисторы принци­пиально новой конструкции под кодовым названием TeraHerz и создала новые материалы для их изготовления. Новая технология устраняет выявленные в последнее вре­мя препятствия технического характера, замедляющие темпы развития полупроводниковых технологий. Резуль­татом применения новых транзисторов станет резкое на­ращивание быстродействия компьютерных микросхем, повышение эффективности энергопотребления, снижение тепловыделения. Новый транзистор имеет сверхтонкую кремниевую подложку, которая отличается от устройств традиционной компоновки по принципу «полупроводник на изоляторе» прежде всего тем, что изготавливается из полностью обедненного материала, позволяющего генери­ровать максимальный ток возбуждения при включенном транзисторе, что повышает скорость выполнения цикличе­ских переключений. При выключенном же транзисторе утечка тока снижается до минимума' благодаря тончайшему изоли­рующему слою. Таким образом, утечка тока в транзисторе на обедненной подложке в 100 раз ниже аналогичного по­казателя транзисторов, скомпонованных по традиционной схеме «полупроводник на изоляторе». Еще одним новше­ством, примененным в транзисторах на обедненной под­ложке, являются контакты с низким сопротивлением, встроенные в верхнюю часть полупроводникового слоя. Благодаря этому транзистор отличается чрезвычайно ма­лыми размерами, высоким быстродействием, низким энер­гопотреблением. Вторая ключевая составляющая транзисторов сле­дующего поколения - новый материал изготовления под­ложки, призванный заменить диоксид кремния. Во всех транзисторах имеется изолирующий слой, отделяющий «затвор» транзистора от его активной зоны. В современ­ных транзисторах, обладающих рекордными показателями, толщина изолирующего слоя затвора, изготавливаемого из диоксида кремния, не превышает 0,8 нанометров, что при­мерно соответствует толщине трех слоев атомов. И, тем не менее, утечка тока даже через столь тончайший изоли­рующий слой становится одним из главных факторов по­вышенного энергопотребления. Новые транзисторы Intel способны побить рекор­ды быстродействия за счет применения материала нового типа, названного «высокоизолирующим диэлектриком К-затвора». По сравнению с диоксидом кремния, новый материал более чем в 10000 раз снижает утечку тока че­рез затвор. Высокоизолирующий диэлектрик К-затвора изготавливается на основе принципиально новой техно­логии, названной «атомно-послойным осаждением» и по­зволяющей наращивать новый материал послойно. При этом толщина такого слоя не превышает одной молекулы. На практике это означает рост производительности, сни­жение тепловыделения, значительное продление сроков службы батарей питания мобильных устройств. Одним из основных направлений является мини­мизация размеров микросхем, используемых в ноутбуках, мобильных телефонах, медицинской диагностической ап­паратуре, коммуникационных устройствах, оптоэлектронной технике. Японская компания Toshiba разработала мно­гокристальную микросхему длиной всего 10 мм и шири­ной 7 мм. Размеры новой разработки примерно на три­дцать процентов меньше предшественников, что упрощает использование таких микросхем в сотовых телефонах. Компания Linear Technology создала новые операционные усилители, обладающие низким уровнем шумов, высокой эффективностью усиления, быстрым нарастанием выход­ного напряжения, что делает эти продукты подходящими для применения в медицинской диагностической аппара­туре, коммуникационных устройствах и оптоэлектронной технике. В Силовой электронике в настоящее время получи­ли распространение IGBT-транзисторы или биполярные транзисторы с изолированным затвором, в которых в отли­чие от классического биполярного транзистора инжекция носителей в базу осуществляется не р-n переходом база-эмиттер, а полевым транзистором с изолированным затво­ром. Такая конструктивная особенность приводит к следующим важным свойствам: база как конструктивный элемент, через который осуществляется пролет носителей, отсутствует; эмиттер имеет площадь, сравнимую с площа­дью коллектора; эмиттер и коллектор могут быть разнесе­ны на значительное расстояние, что в совокупности с ма­лым легированием коллектора позволяет достичь значи­тельных пробивных напряжений; приборы этого типа не могут достичь частотных характеристик как полевых тран­зисторов, так и классических биполярных. Современные IGBT-транзисторы могут работать на частотах до 75 кГц при рабочем напряжении 1200 В и токе до 78 А. Тесты к разделу «Электроника» 1. Как изменяется ширина обедненного слоя в полупроводнике с увеличением концентрации примесей? а) не меняется; б) уменьшается; в) увеличивается. 2. Какой пробой опасен для p-n перехода? а) тепловой; б) электрический; в) оба. 3. Какие диоды работают в режиме пробоя? а) варикапы; б) стабилитроны; в) туннельные диоды; г) при пробое диоды выходят из строя. 4. В каком направлении включается эмиттерный и коллекторный p-n-переходы? а) это зависит от типа транзистора (n-p-n или p-n-p); б) эмиттерный – в прямом, коллекторный – в обратном; в) эмиттерный – в прямом, коллекторный – в прямом; г) эмиттерный – в обратном, коллекторный – в прямом. 5. Какие конструктивные особенности принципиально отличают базу от эмиттера и коллектора? а) толщина; б) тип примеси; в) концентрация примесей; г) все указанные выше. 6. При какой схеме включения транзисторов коэффициент усиления по мощности меньше или равен 1. а) с общей базой; б) с общим эмиттером; в) с общим коллектором; г) во всех случаях он больше 1. 7. Как называется зависимость Iк = f(Iэ) при Uк = const? а) входной характеристикой; б) выходной характеристикой; в) переходной характеристикой. 8. Семейство каких характеристик можно получить, меняя Iэ? а) входных характеристик; б) выходных характеристик; в) переходных характеристик. 9. У какого транзистора входное сопротивление максимально? а) у биполярного; б) у полевого с затвором в виде p-n-перехода; в) у МДП-транзистора. 10. Сколько p-n-переходов имеет симметричный тиристор? а) 2; б) 3; в) 4; г) 5. 11. Какие приборы целесообразно использовать для преобразования параметров тока в системах электроснабжения? а) биполярные транзисторы; б) полевые транзисторы; в) тиристоры. 12. Определить коэффициент усиления по напряжению трехкаскадного усилителя в децибелах, если каждый каскад обеспечивает десятикратное усиление. а) 60; б) 30; в) 1000. 13. Какой параметр полезного сигнала искажается за счет нелинейности усилительных элементов? а) частота сигнала; б) форма сигнала; в) и частота, и форма сигнала. 14. Какое из приведенных выражений лишено физического смысла при условии, что K > 1? а) ; б) ; в) ; г) . Контрольные вопросы к разделу «Электроника» 1. Поясните принцип действия диода. 2. Изобразите вольт-амперную характеристику диода. 3. Поясните назначение выпрямительных устройств. 4. Назовите основные типы однофазных выпрямительных схем. 5. Поясните принцип действия одно- и двухполупериодной схем выпрямления. 6. Назовите основные виды сглаживающих фильтров. 7. Назовите типы транзисторов. 8. Укажите схемы включения транзисторов. 9. Укажите связь между токами эмиттера, коллектора и базы транзистора. 10. Приведите семейство входных и выходных характеристик транзистора, включенного по схеме с общей базой. 11. Укажите преимущества схемы включения транзистора с общим эмиттером по сравнению со схемой с общей базой. 12. Нарисуйте типовую схему усилительного каскада с общим эмиттером. 13. Объясните наличие спадов АЧХ усилителя в области низких и высоких частот. 14. Поясните, как увеличить коэффициент усиления многокаскадного усилителя в области низких частот. 15. Поясните причины появления искажения формы выходного сигнала. 16. Укажите виды обратных связей, применяемых в усилителях. 17. Как влияет отрицательная обратная связь на АЧХ усилителя? 18. Запишите выражение для коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью. Вопросы к экзамену по курсу «Электротехника и электроника» 1. Дайте определение понятию «электрическая цепь». Нарисуйте одну из возможных схем электрической цепи. 2. Дайте определение и объясните физический смысл понятия «электродвижущая сила». Единицы Э.Д.С. 3. Что собой представляет схема замещения и для чего она предназначена? 4. Дайте определение понятию - постоянный электрический ток. Единицы измерения тока. Какое направление тока принимается положительным? 5. Какое соединение элементов электрической цепи называется последовательным соединением? Величина эквивалентного сопротивления. Приведите пример. 6. Какое соединение элементов электрической цепи называется параллельным соединением? Приведите пример. Величина эквивалентного сопротивления. 7. Дайте определение физической величины «электрическое сопротивление цепи». 8. Единицы измерения сопротивления. Формула для расчета сопротивления провода конечной длины. 9. Дайте определение физической величины «электрическая емкость. Единицы измерения». Конденсатор. Емкость плоского конденсатора. 10. Дайте определение физической величины «индуктивность катушки». Единицы измерения. 11. Сформулируйте и запишите обобщенный закон Ома. 12. Сформулируйте и запишите первый закон Кирхгофа. 13. Сформулируйте и запишите второй закон Кирхгофа 14. Как определяются мгновенные значения переменного тока, напряжения и Э.Д.С.? 15. Объясните, что такое векторная диаграмма. Как определяется угловая скорость и взаимное положение векторов на диаграмме? 16. Что такое треугольник напряжений? Изобразите в виде векторов треугольник напряжений для последовательных R, L, C элементов цепи при XL > XC . 17. Что такое резонанс токов, каково условие наступления резонанса, и чему равна резонансная частота? 18. Изобразите схему трехфазной цепи при соединении обмоток генератора и фаз трехфазного приемника треугольником с определением токов в цепи. 19. Сформулируйте первый закон коммутации. 20. Сформулируйте второй закон коммутации. 21. Дайте определение магнитной цепи. Из чего она состоит? 22. Сформулируйте закон полного тока для магнитной цепи. 23. Дайте определение закона Ома для магнитной цепи. 24. Дайте определение первого и второго законов Кирхгофа для магнитной цепи. 25. Дайте определение понятию коэффициента трансформации трансформатора. 26. Дайте определение понятию автотрансформатора. 27. Дайте определение понятию измерительного трансформатора. 28. Дайте определение понятию «асинхронная машина». 29. Дайте определение понятию «синхронные машины». 30. Дайте определение понятию внешней характеристики генератора постоянного тока независимого возбуждения. 31. Дайте определение понятию двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением. 32. Дайте определение понятию двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением. 33. Дайте определение понятию механической характеристики двигателя постоянного тока. 34. Дайте определение понятию «повторно-кратковременный режим работы электродвигателя». 35. Дайте определение понятию «реальный трансформатор». 36. Дайте определение понятию «напряжение короткого замыкания». 37. Объясните (на примере) принцип работы согласующего трансформатора. 38. Укажите общепринятую классификацию трансформаторов. 39. Объясните принцип действия машин постоянного тока. 40. Дайте определение метода эквивалентных величин для выбора мощности электродвигателя. 41. Перечислите условия достижения максимального КПД трансформатора. 42. Перечислите основные способы соединения фаз первичной и вторичной обмоток трансформатора. 43. Перечислите условия, необходимые для включения трансформаторов на параллельную работу. 44. Понятие « база биполярного транзистора». 45. Понятие «коллектор биполярного транзистора». 46. Понятие «эмиттер биполярного транзистора». 47. Понятие «дырка» в полупроводнике. 48. Поясните понятие «АЧХ усилителя». 49. Дайте определение полупроводникового диода. 50. Дайте определение стабилитрона. 51. Дайте определение усилителя электрических сигналов. 52. Дайте определение усилителя постоянного тока. 53. Расскажите о мостовой схеме двухполупериодного выпрямителя. 54. Дайте определение стабилизатора напряжения. 55. Дайте определение мультивибратора. 56. Дайте определение триггера JK-типа. Список литературы 1. Немцов М.В., Светлакова И.И. Электротехника / Серия «Учебники, учебные пособия». – Ростов-н/Д: Феникс, 2004. – 567 с. 2. Паначевский Б.И. Курс электротехники: Учебник для студентов механических специальностей высших учебных заведений / Серия «Учебники, учебные пособия». – Ростов-н/Д: Феникс, 2002. – 288 с. 3. Конюхова Е.А. Электроснабжение объектов: Учебное пособие. – М.: Мастерство, 2002. – 320 с. 4. Москаленко В.В. Электрический привод: Учебное пособие. – М.: Мастерство: Высшая школа, 2000. – 368 с. 5. Кацман М.М. Электрические машины автоматических устройств. Учебное пособие М.: Форум, ИНФА-М, 2002 –264 с. 6. Данилов И.А., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники: Учебное пособие 4-ое издание, стереотипное –М.: Высшая школа, 2000 – 752 с. 7. Кувшинов Г.Е., Чупина К.В. Основы электропривода: Учебное пособие. – Владивосток: Издательство ДВГТУ, – 1999 г. – 221 с. 8. Синдеев Ю.Г., Грановский В.Г. Электротехника. Учебник для студентов технических вузов. Ростов на Дону: Феникс, 1999 г. – 448 с. 9. Рекус Г.Г. Лабораторные работы по электротехнике и основам электроники: Учебное пособие для неэлектрических спец. вузов / Рекус Г.Г., Чесноков В.Н. – М.: Высшая школа, 1989. – 240 с.