Электрические цепи постоянного тока

Курс лекций по дисциплине «Электротехника и электроника» Тема 1. Электрические цепи постоянного тока. Линейные электрические цепи. Электрическая цепь – совокупность соединенных друг с другом источников электрической энергии и нагрузок, по которым может протекать электрический ток. Отдельные устройства, составляющие электрическую цепь, называются элементами цепи. Элементы цепи делятся на источники и приемники электрической энергии. Источники – элементы электрической цепи, которые преобразовывают различные виды энергии в электрическую. Приемники – элементы, в которых происходит преобразование электрической энергии в иные виды энергии. Электрические цепи бывают линейными и нелинейными. Линейные цепи можно описать линейными дифференциальными уравнениями, а в нелинейных цепях параметры цепи зависят от величины тока. U=I*R U U I I ВАХ линейной цепи рис. 1.1 ВАХ нелинейной цепи По виду источников энергии электрические цепи бывают активные (содержат источники энергии) и пассивные (без источников энергии). Активные в свою очередь делятся на автономные (зависимые) и неавтономные (независимые). Источник ЭДС и источник тока. Источник ЭДС Рис.1.2 (а) Рис.1.2 (б) По рисунку 1.2(а) источник электрической энергии имеет ЭДС Е и внутреннее сопротивление rВН. Ток всегда течет от узла с большим потенциалом в узел с меньшим потенциалом. Направление Е совпадает с направлением тока. ( φ2 > φ1 ). Рассчитаем напряжение на зажимах 1-2 ( U21). U21 =φ2 - φ1 =I·R I=U21/R Разность потенциалов между 2 и 3 узлами φ2 – φ3= I· rВН. (т.к. I – от большего к меньшему). Разность потенциалов между 1 и 3 узлами φ1 – φ3= Е. (т.к. U – от меньшего к большему). Выделим φ3 из одного уравнения и подставим в другое. (φ2 – φ1)+ E= I· rВН Т.к. (φ2 – φ1)= I·R, то E= I·R+ I· rВН На эквивалентной схеме внутреннее сопротивление rВН соединено последовательно с сопротивлением приемника R, и в зависимости от соотношения между напряжением на этих сопротивлениях получаем две разновидности эквивалентной схемы. По рис.1.2(а) напряжение U=E-UВН , если rВН << R, то и UВН << U, т.е.источник электрической энергии находится в режиме, близком к х.х., то UВН = I· rВН ≈0. Такой источник энергии без внутреннего сопротивления называется идеальным источником ЭДС (рис.1.2(б)). Таким образом, у идеализированного источника питания, напряжение на зажимах постоянно и равно ЭДС (Е), а внутреннее сопротивление равно нулю. Источник тока. Рассмотрим схему по рисунку 1.3(а). Уравнение E= I·R+ I· rВН разделим на rВН : ; J = IВН + I ; J – ток источника тока. Эквивалентная схема с источником тока: Рис.1.3(а) Рис.1.3(б) Источник ЭДС и источник тока будут эквивалентны, если напряжение и ток одинаковы. ; Если gВН << g или rВН >> R, т.е. источник находится в режиме близком к режиму “к.з.”, то можно принять ток IВН=U·gВН ≈0, что соответствует эквивалентной схеме по рис.1.3(б). Источник с внутренней проводимостью gВН = 0 (или rВН = ∞) называется идеальным источником тока. Причем ток источника тока не зависит от сопротивления приемника. В идеальном источнике ЭДС внутреннее сопротивление равно нулю, а в идеальном источнике тока внутренняя проводимость равна нулю, сопротивление нагрузки у обоих источников бесконечно большое. Баланс мощностей. Алгебраическая сумма мощностей источников равна алгебраической сумме мощностей приемников. ; W=U*q ; РПРИЕМ= I2 ·R ; Для источника ЭДС: если направление ЭДС совпадает с направлением тока, то берется со знаком +. Для источника тока: если направление тока не совпадает с направлением напряжения, то берется со знаком +. Закон Ома для ветви с источником ЭДС. Соединение элементов, при котором по всей цепи течет один и тот же ток называется последовательным. Соединение элементов, при котором все участки цепи присоединяются к одной паре узлов, т.е. находятся под действием одного и того же напряжения называют параллельным. Пример, ( I – от > к <; U – от < к >.) φ1 – φ3= I* R1 φ4 – φ5= I* R2 φ4 – φ3= E1 φ5 – φ6= E2 φ6 – φ2= I*R3 U= φ1 – φ2= I*(R1+R2+R3) – E1+E2 [ φ1= I*R1+ φ3 = I*R1+ φ4-E1 = I*R1+I*R2+ φ5-E1 = I*(R1+R2) + φ6-E1+E2 = I*(R1+R2+R3) + φ2-E1+E2 ] ; - обобщенный закон Ома для ветви с источником ЭДС. Знак “+” перед Е ставится, когда направление тока совпадает с направлением ЭДС, а знак “-“ , когда не совпадает. R – общее сопротивление ветви. [R = R1+R2+R3 -- последовательное сопротивление; 1/R=1/R1+1/R2+1/R3 -- параллельное соединение] Сложная ветвь с источником ЭДС и источником тока: Ī =I+J=J+(E+U)/R U = φ1 – φ2 Ī = J+(E+U)*g Ī = ± J + (± E ± U)*g --- Обобщенный закон Ома для сложной цепи. Законы Кирхгофа. 1. Первый закон: Алгебраическая сумма токов ветвей, сходящихся в одном узле равна нулю. (Сумма подтекающих к любому узлу токов равна сумме оттекающих от узла токов.) Токи подтекающие к узлу берем со знаком “-“, а вытекающие – со знаком “+”. I2+I3-I1-I4=0 или I2+I3=I1+I4 2. Второй закон: Алгебраическая падений напряжения в любом замкнутом контуре равна алгебраической ЭДС вдоль того же контура. ΣU = ΣE В каждую из сумм соответствующие слагаемые входят со знаком « + », если они совпадают с направлением обхода контура, и со знаком « - », если не совпадают с ним. Метод контурных токов. Применяется в том случае, когда число независимых контуров < числа узлов. Здесь первый з-н Кирхгофа выполняется автоматически. Уравнения составляются только для независимых контуров. Каждому контуру присваивается свой собственный контурный ток и для них составляются уравнения по второму закону Кирхгофа. Метод узловых потенциалов. Используется когда число узлов < , чем число независимых контуров. 3-1=2 уравнение по первому закону Кирхгофу. Уравнение составляем по первому закону Кирхгофа: каждый ток записывается через потенциалы узлов и в качестве неизвестных являются узловые потенциалы. Составляется система уравнений для узловых потенциалов, затем определяются токи по обобщенному закону Ома. Нулевой потенциал - это узел, где сходится наибольшее число ветвей. Собственный потенциал всегда со знаком «+», все остальные с противоположным знаком. Если источник энергии направлен к узлу, то собственный ток берется со знаком «+», от узла - со знаком «-». Тема 2. Электрические цепи однофазного переменного тока. Переменные токи Переменным называется ток, изменение которого по значению и направлению повторяется через равные промежутки времени: i(t)=i(t+T) i(t)= Im Sin(ωt+φi) 1) Мгновенные значения i, u, e (- их значения в любой момент времени) i=Im*Sinωt; и Um*Sinωt; e=Em* Sinωt Im, Um, Em – так значения мгновенных величин i, u, e ω - круговая частота = = 2πf f – циклическая частота = 1/Т 2) Действующие значения: Действующее значение тока определяются как средне квадратичное значение тока за период. i=Im*Sinωt I= =>=0,707 Im Аналогично E= и U= 3) Средние значения: Это среднее значение Sin-но изменяющейся величины за полпериода Iср = Im*Sinωt*dt = , т.е. Среднее значение составляет 2/π=0,638 от амплитудного. Аналогично, Еср=; Ucp=. Элементы электрической цепи. Вид и энергия сигнала в электротехническом устройстве зависят от типа его элементов. Многообразие элементов электрической цепи приводит к необходимости их классификации. Одним из классификационных признаков служит число зажимов (полюсов) элемента. По этому признаку различают элементы двух-, четырех- и многополюсные. Внутри каждого класса используют другие признаки (например, двухполюсные элементы – линейные и нелинейные). Четкая классификация выделяет основные свойства и вводит ограниченное число идеализированных элементов (компонентов электрической цепи). Идеализированные схемные компоненты отражают влияние единственной стороны рассматриваемого явления (например, запа­сание магнитной или электрической энергии, преобразование элек­трической энергии в тепло). Их вво­дят с целью повышения универсальности методов анализа элект­рических цепей. Среди идеальных элементов выделяют двухполюсные и много­полюсные, активные (вырабатывающие электрическую энергию) и пассивные (потребляющие энергию), нелинейные и линейные. Минимальный базовый набор пассивных двухполюсных схем­ных компонентов (резистивный, индуктивный, емкостный) свя­зан с отражением сторон электромагнитных процессов. 1) Емкостный (отражающим запасание электрической энергии) –это элемент (рисунок а), характеризуемый зависимостью q(u) (заряда q от напряжения и), или кулон-вольтной характеристикой (рисунок б). Для линейного конденсатора q(t) = Cu(t) и связь тока с на­пряжением выражается соотношением , где q-заряд на обкладках конденсатора С=q/U – ёмкость 2) Индуктивным (отражающим запасание магнитной энергии) называют элемент (рисунок а), характеризуемый зависимостью Ф(i) (магнитного потока Ф от тока i), или вебер-амперной характерис­тикой (рисунок б). Если характеристика линейная, то Ф(i) = Li, где L — индуктив­ность элемента, Гн. Напряжение на индуктивном элементе (для линейного случая): При прохождении переменного тока по катушке вызывается индуктивность . (з-н Ленца для создания ЭДС самоиндукции) ψ=W·Ф=L·iL (ψ - потокосцепление, Ф-поток, W-число витков в катушке) e(t) = -L·diL/dt Напряжение сети или источника, которое идет на преодоление ЭДС самоиндукции. uL(t) = -e(t) = L·diL/dt Ток на катушке 3)Резистивным (отражающим рассеяние электрической энергии) называют элемент (рисунок а), характеризуемый зависимостью u(i) или i(u) (вольтамперной характеристикой) (рисунок б). Для линейного участка характеристики (рисунок в) справедли­вы выражения u(t) = R·i(t) и i(t) = g·u(t), где R — сопротивление резистора, Ом; g=1/R — проводимость, См. Мощность, потребляемая в резисторе pit) = u(t)·i(t). Для линей­ного резистора p(t) = Ri2(t) = gu2(t) > 0, что свидетельствует о необратимом рассеянии электромагнитной энергии в резистивном элементе. Изображение Sin-ой функции времени вращающимся вектором на комплексной плоскости. Пусть i= Im·Sin(ωt+i) На комплексной плоскости под углом равным начальной фазе от вещественной оси откладывают вектор, величина которого равна Im или действующему значению . Вектор Im вращают против часовой стрелки с угловой частотой ω. Проекция вращающегося вектора Im на мнимую ось в любой момент времени t соответствует мгновенному значению тока. Виды записи комплексных чисел с=а+jb – алгебраическая форма записи комплексных чисел с=с*ej - показательная форма c=a2+b2 =arctg b/a a=c*cos b=c*sin Формула Эйлера: Напряжение u, ток i в комплексном виде изображается: Í, Ú или I; U. Пример 1, i=10sin(314t+300). Записать выражение комплексной амплитуды тока и его действующее значение. Im=10; =300 => Ím=10e j30=8,6+j5(амплитудное значение) Í=Ím/=10 e j30=8,6+j5 Пример 2, Ím=2e -j30. Записать выражение мгновенного значения тока (i). Для этого Ím умножаем на e jωt и берем коэффициент при мнимой части от полученного произведения. i=Jm(2e -j30* e jωt)= Jm(2e j(ωt-30))=2sin(ωt-300) Законы Кирхгофа в цепи переменного тока и в комплексной форме. Законы Кирхгоффа Переменный ток Комплексная форма записи I закон Кирхгоффа: Алгебраическая сумма мгновенных значений тока, сходящихся в узле = 0. ik=0 -для мгновенного значения. Алгебраическая сумма комплексных значений тока, сходящихся в узле = 0. Ímk=0 -для комплексного значения. II закон Кирхгоффа: Алгебраическая сумма мгновенных значений напряжений вдоль любого замкнутого контура =0 Алгебраическая сумма комплексных значений напряжений вдоль любого замкнутого контура =0 Резонанс напряжений. Последовательно включенные катушка индуктивности и конденсатор образуют колебательный контур, в котором возможен резонанс напряжения (рис. 4.1). Термин «резонанс напряжения» подразумевает, что при определенном условии, а именно: равенстве реактивных сопротивлений ХL = ХC, переменные напряжения на элементах контура L и C увеличиваются в Q раз по сравнению с напряжением, подаваемым от источника на контур. Под величиной Q понимается добротность контура: . Рис. 4.1. Эквивалентная электрическая схема последовательного включения резистора, индуктивности и конденсатора Процессы, происходящие в исследуемой цепи (в соответствии со вторым законом Кирхгофа), описываются в случае постоянства величин R, L, C во времени и независимости их от величины протекающего тока линейным интегрально-дифференциальным уравнением , (4.1) где u(t) – переменное напряжение, подаваемое на колебательный контур, R – сопротивление резистора, L – индуктивность катушки, С – ёмкость конденсатора, i(t) – переменный ток, протекающий в цепи. В случае, когда поступающее на колебательный контур от генератора напряжение описывается синусоидальной функцией, а частота колебаний напряжения (f) постоянна, для решения уравнения можно использовать метод представления напряжений и токов в виде условных векторов на комплексной плоскости, вращающейся против часовой стрелки с частотой . Полное сопротивление для переменного тока электрической цепи, состоящей из последовательно включенных R-L-C–элементов при этом также целесообразно представлять в комплексном виде. Для того, чтобы отличить комплексные величины, их принято выделять подчеркиванием снизу. С учётом этого замечания выражение для полного сопротивления последовательно включенных элементов R-L-C записывается в следующем виде: Z = |Z|exp{jt} = R + jX, (4.2) где R – активное сопротивление цепи, X = XL + XC – полное комплексное реактивное сопротивление цепи, XL = jL = j|XL| – комплексное представление сопротивления индуктивности, – комплексное представление сопротивления ёмкости (емкостное сопротивление цепи для переменного напряжения), ХL = L = 2πfL – индуктивное сопротивление цепи для переменного напряжения, ‑ модуль полного комплексного сопротивления цепи, состоящей из последовательно включенных элементов R-L-C. Подставляя принятые обозначения в формулу (3.1), можно записать выражение для напряжения, приложенного к рассматриваемой цепи, в следующем виде: . (4.3) Таким образом, решение интегрально-дифференциального уравнения (3.1) заменено решением простейшего алгебраического уравнения. Параметры этого уравнения легко определяются из приведенных выше выражений. Сдвиг фаз между током и напряжением определяется из выражения , (4.4) где Х = XL – XC – полное реактивное сопротивление цепи. Резонанс токов. При параллельном соединении катушки и конденсатора образуется колебательный контур, в котором возможен резонанс токов. Параллельное включение катушек и конденсатора используется как в электрических, так и в электронных системах. В энергетических системах такое включение конденсаторов чаще всего используется для повышения коэффициента мощности (соs φ) при преимущественно индуктивной нагрузке, создаваемой обмотками электродвигателей. Параллельное включение конденсатора и катушки широко используется в приемных устройствах для выделения нужного сигнала путем настройки резонансной частоты контура на заданную частоту и ослабления сигналов от других передающих станций. Эквивалентная схема электрической цепи, состоящей из параллельно включенных катушки (R, L) и конденсатора ёмкости C, приведена на рис. 4.2. Рис. 4.2. Эквивалентная схема электрической цепи, состоящей из включенных параллельно катушки и ёмкости К контуру подведено внешнее переменное напряжение (~U). От источника напряжения забирается ток (İ), равный векторной сумме токов, протекающих через катушку (İК) и конденсатор (İC): İ = İК + İC. (4.5) Эквивалентное сопротивление катушки состоит из индуктивности L и активного сопротивления провода R, которым намотана катушка. Величина сопротивления индуктивности переменного тока равна ХL =  L = 2 π f L (4.6) и обычно достаточно велика, в то время как величина активного сопротивления относительно мала (единицы Ом). Отношение называется добротностью катушки. Добротность катушки может быть сделана очень большой, особенно, если она выполнена из сверхпроводящих проводников. Такие катушки широко используются для формирования сверхсильных магнитных полей. Катушка может представлять собой дроссель или обмотку электродвигателя – обмотка на сердечнике из электротехнической стали или другого ферромагнитного материала, относительная магнитная проницаемость которого очень велика (μ  10000). В этом случае на эквивалентной электрической схеме индуктивность обозначается с чёрточкой с правой стороны, и индуктивность определяется выражением L =K μ Ẃ 2, (4.7) где μ ‑ относительная магнитная проницаемость сердечника, Ẃ – число витков провода катушки. K – коэффициент, зависящий от конструкции катушки и сердечника. Из формулы (4.3) следует, что при том же числе витков величина индуктивности возрастает в μ раз. Это позволяет для получения заданной величины индуктивности в μ раз уменьшить размеры катушек. Векторная диаграмма, приведённая на рис. 4.2, может быть использована для иллюстрации действия емкостных компенсаторов реактивной мощности. В электротехнических системах широко используется включение батарей конденсаторов (БК) параллельно обмоткам статоров асинхронных электродвигателей. Это позволяет уменьшить сдвиг фаз φ между током I и подводимым напряжением U и соответственно увеличить коэффициент мощности , (4.8) где Р = U I cos φК – активная мощность, потребляемая электрической цепью; S = U I – полная мощность, которую может отдать источник электроэнергии. Реактивная мощность, потребляемая статорными обмотками электродвигателей, пропорциональна sin φ. Особенно велика потребляемая реактивная мощность при работе асинхронных электродвигателей в режиме холостого хода. При этом значение коэффициента мощности cos φ оказывается равным 0,2, то есть электродвигатели потребляют от источника электрической энергии всего 1/5 его полной мощности. Включение параллельно обмоткам электродвигателей батареи конденсаторов позволяет увеличить величину коэффициента мощности до величин 0,95  0,97 и, соответственно, улучшить использование мощности трансформаторов и генераторов переменного напряжения. Векторная диаграмма, характеризующая процесс компенсации реактивной мощности при подключении конденсатора параллельно катушке, приведена на рис. 4.3. Рис. 4.3. Векторная диаграмма, иллюстрирующая сдвиг фаз φК между векторами тока и напряжения На диаграмме показаны вектор напряжения U и векторы токов, протекающих через конденсатор İC и катушку İК, а также вектор тока, потребляемого от сети İ = İК + İC. При отсутствии конденсатора С вектор тока İК сдвинут относительно вектора напряжения U на угол φК. Как следует из диаграммы, при подключении конденсатора угол φ между напряжением, приложенным к контуру, и током, потребляемым контуром от сети, существенно уменьшается (φ < φК). Обычно батареи конденсаторов (БК), включаемые параллельно обмоткам электродвигателей, выбираются таким образом, чтобы коэффициент мощности cos φ = Р/S стал равен 0,95  0,97. Для полной компенсации реактивной мощности потребовалось бы использовать очень большие конденсаторы, и поэтому обычно ограничиваются уменьшением угла φ до величины, равной нескольким градусам. При равенстве сопротивлений ХL = ХС (ВL = ВC) ток, потребляемый от источника питания, İ и напряжение U совпадают по фазе, и контур представляет для источника внешнего напряжения чисто активное сопротивление R. При равенстве сопротивлений ХL = ХС в колебательном контуре возникает резонанс токов, и контурный ток, протекающий в контуре между индуктивностью и ёмкостью (IК = IС), оказывается в Q раз больше тока, потребляемого от источника энергии (IК = QI). Это позволяет использовать колебательный контур со сверхпроводящей катушкой индуктивности для накопления электрической энергии , (4.9) где W ‑ энергия, накопленная в контуре. Тема 3. Трехфазные цепи. Соединение трехфазной системы ЭДС звездой Многофазные электрические цепи представляют собой совокупность нескольких однофазных цепей, в которых формируются электродвижущие силы (ЭДС) одинаковой частоты, сдвинутые по фазе друг относительно друга. Как правило, эти ЭДС вырабатываются одним источником сигнала. Наибольшее распространение в настоящее время получили трехфазные электрические цепи, в которых ЭДС сдвинуты между собой на 1200. Основное преимущество многофазных систем – существенная экономия проводов. Вместо шести проводов, необходимых для передачи электрической энергии в трех однофазных системах, в трехфазной системе требуется всего три. Это преимущество особенно сильно сказывается при строительстве линий электропередачи электрической энергии на большие расстояния. Не менее важным преимуществом многофазных систем является простота формирования вращающего магнитного поля. Это позволяет создавать и широко использовать двигатели переменного тока, не имеющие контактных колец, что обеспечивает их высокую взрывобезопасность. Искры, образующиеся при нарушениях электрического контакта на вращающихся кольцах двигателей постоянного тока, делают их взрывоопасными. Поэтому их нельзя использовать на большинстве предприятий пищевой промышленности. Кроме этого асинхронные электродвигатели переменного тока более дешевые, надежные и простые в эксплуатации по сравнению с двигателями постоянного тока. Кроме трехфазных систем, в бортовых системах питания электронной аппаратуры довольно широко используются десяти- и двенадцатифазные системы. Трехфазные электрические напряжения создаются синхронными генераторами, статорные обмотки которых расположены в специальных пазах и сдвинуты в пространстве на 1200. Ротор генератора выполнен в виде электромагнита, обмотка возбуждения которого через контактные кольца и щетки подсоединена к источнику постоянного тока. При вращении ротора электромагнит последовательно пересекает обмотки статора. В результате в обмотках статора индуцируются ЭДС, сдвинутые между собой по фазе на 1200 (еА, еВ, еС). Когда порядок возбуждения ЭДС в фазах совпадает с направлением вращения ротора, систему принято называть трёхфазной с прямой последовательностью ЭДС. В том случае, когда чередование ЭДС обратное (еС, еВ, еА), система называется трёхфазной с обратной последовательностью ЭДС. Для того чтобы избежать протекания выравнивающих токов при несинусоидальной форме напряжения, обмотки статора синхронных генераторов включаются по схеме «звезда». Начала обмоток обозначаются большими буквами А, В, С, а концы малыми буквами x, y, z. Концы обмоток статора синхронного генератора объединяются. Выводы обмоток А, В, С окрашиваются соответственно в желтый, зеленый, красный цвета. При включении приемников электроэнергии по схеме «звезда» концы выводов приемников электроэнергии всех трех фаз соединяются в одну общую точку, а оставшиеся три вывода соединяются с тремя фазами источника напряжения с помощью проводов, по которым протекают токи IA, IB, IC. На рис. 5.1 приведена схема трехфазной электрической системы для случая соединения приемников звездой. Рис. 5.1. Схема трехфазной электрической системы для случая соединении приемников электроэнергии ΖA, ΖB, ΖC звездой На схеме в кружках обозначены амперметры IA, IB, IC, и вольтметры UAB,, UBC, UCA, измеряющие линейные токи и напряжения, а также вольтметры, измеряющие фазные напряжения UA, UB, UC. Провод Ν, соединяющий точку объединения приемников электроэнергии ΖA, ΖB,, ΖC с общей точкой соединения обмоток генератора, называют нейтральным. Напряжения UA, UB, UC между линейными проводами (A, B и C соответственно) и нейтральным (N) называют фазными (UФ). Напряжения UAB,, UBC, UCA между линейными проводами называют линейными (Uл). Токи IA, IB, IC, протекающие по линейным проводам, называются линейными токами. В рассматриваемой схеме линейные токи совпадают с фазными: IЛ = IФ, протекающими через сопротивления ΖA, ΖB, ΖC. При одинаковых сопротивлениях нагрузок UЛ = UФ. Вектор тока в нейтральном проводе (IN) равен сумме векторов линейных токов IN = IA + IB + IC, где IA, IB, IC - векторы линейных токов. При одинаковых сопротивлениях приемников электроэнергии ток в нейтральном проводе (IN) равен нулю (см. рис. 5.2). Соединение трехфазной системы ЭДС треугольником При включении нагрузок по схеме «треугольник» нейтральный провод отсутствует, и все приёмники электроэнергии находятся под линейными напряжениями. Электрическая схема соединения приёмников электроэнергии треугольником приведена на рис. 5.3. Рис. 5.3. Схема соединения приёмников электроэнергии треугольником При соединении нагрузок треугольником линейное напряжение равно фазному: UЛ = UФ. При одинаковых нагрузках в фазах . При неодинаковых нагрузках в фазах это соотношение не соблюдается. Схема соединения нагрузок треугольником применяется, главным образом, в тех случаях, когда величины сопротивлений в фазах не равны между собой и изменяются независимо во времени. Основным преимуществом включения приёмников электроэнергии треугольником является постоянство напряжений на нагрузках. Тема 4. Трансформаторы. ОДНОФАЗНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ Трансформатором называется статическое (т.е. без движущихся элементов) электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования величины одного переменного напряжения в напряжение другой величины той же частоты. Преобразование величины напряжения осуществляется благодаря явлению электромагнитной индукции. Обмотка трансформатора, соединенная с источником переменного напряжения, называется первичной. Обмотка, к которой присоединяется приемник электроэнергии, называется вторичной. Обмотки трансформатора не соединены между собой по постоянному току, поэтому напряжение на вторичной обмотке трансформатора появляется только при изменении величины напряжения в первичной обмотке. Это свойство трансформаторов позволяет использовать их для разделения постоянной и переменной составляющих напряжения. В частности трансформаторы используются для изоляции части электрической цепи по постоянному току от высокого переменного напряжения электрической сети. Обмотки мощных трансформаторов для электротехнических систем обычно наматываются в пазах замкнутого (сердечника), набираемого из отдельных, изолированных друг от друга слоем лака, листов электротехнической стали. Относительная магнитная проницаемость электротехнической стали достигает 10000…20000. Обычно в пазах магнитопровода размещаются несколько катушек с обмотками. Принципиальная схема трансформатора приведена на рис.7.1. Рис.7.1.Принципиальная схема трансформатора с измерительными приборами. На рисунке изображен двухобмоточный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к источнику переменного напряжения U1 .Напряжение подается через два предохранителя и рубильник К1.При включении рубильника напряжение U1 подается на первичную обмотку трансформатора. При этом на вторичной обмотке трансформатора появляется напряжение U2. Во входной цепи трансформатора включены: вольтметр (V), амперметр(A) и ваттметр(W). Параллельно вторичной обмотке трансформатора включен вольтметр, измеряющий напряжение U2 и амперметр, измеряющий ток, протекающий через сопротивление нагрузки Ζн. При выкюченном рубильнике К2 выходная цепь трансформатора разомкнута и ток через сопротивление нагрузки не протекает ( режим холостого хода трансформатора). ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ На щитках мощных трансформаторов обычно указываются: 1.Номинальные высшее и низшее напряжения, на которые рассчитан трансформатор в[ В]. 2.Номинальная полная мощность в [В*А]. 3.Токи, протекающие в обмотках при номинальной полной мощности [A]. РЕЖИМЫ РАБОТЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ -Режим повышающего трансформатора, когда U2 больше U1. -Режим понижающего трансформатора, когда U2 меньше U1. -Режим номинальный при номинальных значения[ напряжений и токов в первичной обмотке. -Режим рабочий -при номинальном напряжении в первичной обмотке. -Режим холостого хода, когда ток во вторичной обмотке равен нулю. -Режим короткого замыкания, когда напряжение вторичной обмотки рано нулю. Отношение э.д.с. первичной обмотки к э.д.с. во вторичной обмотки называется коэффициентом трансформации. , где -число витков первичной обмотки. -число витков вторичной обмотки. Приближенно коэффициент трансформации определяется как отношение напряжения в первичной обмотке к напряжению вторичной обмотки при опыте холостого хода. Маломощные трансформаторы могут использоваться как повышающие и как понижающие, поэтому в паспорте трансформатора коэффициент трансформации обозначается как отношение высшего напряжения к низшему напряжению. КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРА Коэффициент полезного действия силовых электротехнических трансформаторов очень высок и обычно равен в номинальном режиме 0,98….0,99. Потери энергии в трансформаторах складываются из потерь в сердечнике и потерь в обмотках. Потери в сердечнике в свою очередь складываются из потерь на вихревые токи и потерь, связанных с явлением гистерезиса - нелинейной и неоднозначной зависимостью магнитной индукции В от напряженности Н магнитного поля.Для уменьшения потерь на вихревые токи 'сердечники трансформаторов набираются из тонких, и изолированных слоем лака стальных листов. Потери из-за гистерезиса зависят от качества (сорта) электротехнической стали, а также от частоты колебаний переменного напряжения и напряженности магнитного поля в сердечнике. Экспериментально потери в стали определяются из опыта холостого хода трансформатора, когда ток I2 = 0, а ток I1 имеет небольшую величину (единицы процентов от номинальной величины). При этом практически вся мощность, потребляемая трансформатором, расходуется на покрытие потерь в сердечнике трансформатора Р0 = Рст. Потери в медных проводах определяются из опыта короткого замыкания, при ко­тором токи в обеих обмотках имеют номинальное значение, а напряжение, подводимое к первичной обмотке, равно 1.2 процента от номинальной. ТРЕХФАЗНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ Трехфазные трансформаторы выпускаются на мощность до 60МВА. Начиная с 1800 кВА разрешается использовать вместо одного трехфазного трансфор­матора группы из трех однофазных трансформаторов, каждый из которых рассчитан на мощность 600кВА. Катушки индуктивности трехфазных трансформаторов как и однофазных располагаются в окнах электромагнитного сердечника из электротехнической стали с большим коэффициентом магнитной проницаемости. Коэффициенты трансформации также определяются отношением числа витков в первичной и вторичной обмотках. Варианты соединения первичных и вторичных обмоток трансформаторов определяются ГОСТ. Для трехфазных трансформаторов ГОСТ разрешает следующие группы включения обмоток: Группа 0-звезда/звезда с выведенной нулевой точкой; Группа 11 а -звезда /треугольник Группа 11 б -звезда (с выводом нулевой точки) /треугольник. Группы соединения обмоток трансформатора служат также для условного обозначения сдвига фаз вторичного напряжения по отношению к первичному. АВТОТРАНСФОРМАТОРЫ При небольших коэффициентах трансформации, 1,5…2,экономически целесообразно использовать автотрансформаторы. Автотрансформатор отличается от обычного трансформатора тем, что имеет только одну обмотку «высшего напряжения». В качестве обмотки «низшего напряжения» используется часть обмотки «высшего напряжения». Преимуществом автотрансформаторов являются меньшие габариты и более низкая стоимость, так как часть обмотки, с которой снимается выходное напряжение, может быть намотана из более тонкого провода. Автотрансформаторы широко используются в бытовой электротехнической аппаратуре. Существенным недостатком автотрансформаторов является связь по постоянному току между первичной и вторичной обмотками. В том случае, когда контакт выходной обмотки трансформатора выполняется подвижным, появляется возможность изменять коэффициент трансформации. Автотрансформаторы с переменным коэффициентом трансформации используются в тех случаях, когда необходимо иметь источник плавно изменяющегося напряжения. Тема 5. Полупроводниковые диоды, транзисторы. Полупроводниковым диодом называют полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами, в котором используются свойства перехода. Классификация и условные графические обозначения полупроводниковых диодов приведены на рис.1. В точечном диоде используется пластинка германия или кремния с электропроводностью n-типа толщиной 0,1-0,6 мм и площадью 0,5-1,5 мм2; с пластинкой соприкасается заостренная стальная проволочка. На заключительной стадии изготовления в диоде создают большой ток (несколько ампер), стальную проволочку вплавляют в полупроводник n-типа, образуя область с электропроводностью p-типа. Из-за малой площади контакта прямой ток таких диодов сравнительно невелик. По той же причине у них мала и межэлектродная область, что позволяет применять эти диоды в области очень высоких частот(СВЧ-диоды). Точеные диоды используют в основном для выпрямления. В плоскостных диодах p-n-переход образуется двумя полупроводниками с различными типами электропроводности, причём площадь перехода у полупроводников различных типов лежит в пределах от сотых долей квадратного микрометра (микроплоскостные) диоды до нескольких квадратных сантиметров(силовые диоды). Электрические характеристики плоскостного диода определяются характеристиками p-n-перехода. Рассмотрим более подробно характеристики различных групп плоскостных диодов. Выпрямительный полупроводниковый диод − полупроводниковый диод, предназначенный для выпрямления переменного тока. Вольтамперная характеристика (ВАХ) выпрямительного диода, его условное графическое изображение и буквенное обозначение даны на рис.8.2. Основные параметры выпрямительного диода: предельно допустимый постоянный ток диода Iпр.max и максимально допустимое обратное напряжение Uобр.max. Для сохранения работоспособности германиевого диода его температура не должна превышать 85С. Кремниевые диоды могут работать при температуре до 150С. Для уменьшения разогрева мощных диодов прямым током принимают специальные меры для их охлаждения: монтаж на радиаторах, обдув и т. д. Для получения более высокого обратного напряжения диоды можно включать последовательно. Для последовательного включения подходящими являются диоды с идентичными характеристиками. В настоящее время выпускаются так называемые диодные столбы, в которых соединены последовательно от 5 до 50 диодов. Обратное напряжение Uобр таких столбов лежит в пределах 2–40 кВ. Более сложные соединения диодов имеют место в силовых диодных сборках. В них для увеличения прямого тока диоды соединяют параллельно, для увеличения обратного напряжения – последовательно и часто осуществляют соединения, облегчающие применение диодов в конкретных выпрямительных устройствах. Полупроводниковый стабилитрон – полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока и который служит для стабилизации напряжения. Он представляет собой кремниевый диод, который нормально работает при электрическом пробое n-p-перехода. При этом напряжение на диоде незначительно зависит от протекающего тока. Электрический пробой не вызывает разрушения перехода, если ограничить ток до допустимой величины. Основные параметры стабилитрона: напряжение стабилизации Uст.ном, минимальный Icт.min и максимальный Iст.max токи стабилизации, максимальная мощность Pст.max. Важным параметром стабилитрона является температурный коэффициент напряжения ТКU , который показывает, на сколько процентов изменится напряжение стабилизации при изменении температуры полупроводника на 1С. Для большинства стабилитронов ТКU =(–0,05¸ +0,2)% /С. Стабилизацию постоянного напряжения можно получить с помощью диода, включенного в прямом направлении. Кремниевые диоды, предназначенные для этой цели, называют стабисторами. Туннельный диод — полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт-амперных характеристиках при прямом напряжении участка с отрицательной дифференциальной электрической проводимостью. Материалом для туннельных диодов служит сильнолегированный германий или арсенид галлия. Основными параметрами туннельного диода я вляются ток пика Iп и отношение тока пика к току впадины Iп/ Iв. Для выпускаемых диодов Iп=0.1¸1000 мА и Iп/ Iв=5¸20. Туннельные диоды являются быстродействующими полупроводниковыми приборами и применяются в генераторах высокочастотных колебаний и импульсных переключателях. Обращённый диод –– диод на основе полупроводника с критической концентрацией примесей, в котором электрическая проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении. Обращённые диоды представляют собой разновидность туннельных диодов, у которых ток пика Iпр=0. Если к обращённому диоду приложить прямое напряжение Uпр≤0,3 В, то ток диода Iпр≈0. В то время даже при небольшом обратном напряжении (порядка десятков милливольт) обратный ток достигает нескольких миллиампер. Таким образом, обращённые диоды обладают вентильными свойствами при малых напряжениях именно в той области, где выпрямительные диоды обычно вентильными свойствами не обладают. При этом направлением наибольшей проводимости является направление, соответствующее обратному току. Варикап — полупроводниковый диод, в котором используется зависимость ёмкости p-n-перехода от обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой ёмкостью. Основными параметрами варикапа являются общая ёмкость Св, которая фиксируется обычно при небольшом обратном напряжении Uобр=2¸5 В, и коэффициент перекрытия по ёмкости Kc=Cmax/Cmin.Для большинства выпускаемых варикапов С=10¸500 пФ и Kc=5¸20. Варикапы применяют в системах дистанционного управления и автоматической подстройки частоты и в параметрических усилителях с малым уровнем собственных шумов. БИПОЛЯРНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ Транзисторами называются управляемые полупроводниковые приборы, способные усиливать мощность электрических сигналов. По принципу работы они делятся на два класса: биполярные и униполярные. Термин "биполярный" подчёркивает роль как носителей отрицательных зарядов-(электронов-«п»), так и положительных зарядов(дырок-«р») в образовании проводящих каналов. Термин "униполярный" говорит о том, что проводящий канал образуется одним типом носителей (электронами или положительными зарядами). Биполярный транзистор представляет собой совокупность двух включенных навстречу взаимодействующих между собой р-n переходов. В соответствии с чередованием областей с различными типами электропроводности биполярные транзисторы подразделяются на два класса «p-n-р» и «n-p-п». Центральный слой полупроводника между «р-п»-переходами в транзисторах называется базой, слой, являющийся источником носителей зарядов (электронов или дырок), называется эмиттером, слой, принимающий заряды от эмиттера, называется коллектором. Напряжение на «р-п»-переход эмиттер-база подается в прямом направлении. Поэтому даже при небольших напряжениях через него протекает ток базы (Iб).Это обстоятельство определяет сравнительно небольшую величину входного сопротивления транзистора, которое для постоянного тока определяется выражением Rвх_= Uбэ/Iб (см. рис 5.1.). На переход коллектор-база напряжение подается в обратном направлении. Так как при включении транзистора один электрод является общим для входной и выходной цепи, различают три схемы включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ), с общим коллектором (ОК). Наиболее часто в усилителях мощности на биполярных транзисторах используются схемы включения транзисторов с общим эмиттером и общим коллектором. На рис.5.1.приведены входная: Iб=F(Uбэ) при Uкэ-const и переходная: Iк=F(Uбэ) при Uкэ-const статические вольтамперные характеристики биполярного транзистора. Рис. 8.3. Входная и переходная статические вольтамперные характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Из рассмотрения характеристик видно, что характерной особенностью биполярного транзистора является протекание тока во входной цепи при любых значениях входного напряжения Uбэ. По входной характеристике транзистора можно определить его входное сопротивление переменному току на низких частотах. Для этого в рабочей точке Т (см, рис. 5.2.) строится характеристический треугольник. Рабочая точка Т лежит посередине его гипотенузы, а катеты параллельны осям. Затем определяются приращения напряжения и тока базы. По найденным приращениям тока базы ∆Iб и напряжения ∆Uбэ определяется входное сопротивление Rвх=∆Uбэ/∆lб при Uкэ= const. По переходной характеристике транзистора таким же методом можно определить ее крутизну Sк=∆lк/∆Uбэ.Зная значение Sк и величину сопротивления нагрузки Rн можно определить приближенное значение коэффициента усиления по напряжению Кu=Sк*Rн. Более точно значения коэффициента усиления по напряжению на низких частотах можно определить с учетом сопротивления транзистора переменному току Rк. Для того необходимо воспользоваться выходными вольтамперными характеристиками транзистора. На рис. 8.4. приведено семейство выходных вольтамперных характеристик Iк=F(Uкэ) при Iб-const биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. Рис. 8.4. Выходные вольтамперные характеристики биполярного транзистора типа п-р-п при включении по схеме с общим эмиттером. Из рассмотрения характеристик видно, что по мере увеличения напряжения Uкэ ot нуля до небольших значений порядка вольта ток коллектора (Iк) резко возрастает. Этот участок соответствует линии насыщения тока транзистора и малой величине сопротивления транзистора переменному току. При дальнейшем увеличении Uкэ ток коллектора возрастает медленнее, что соответствует резкому увеличению сопротивления транзистора переменному току. Величина сопротивление транзистора переменному току определяется следующим образом. Около выбранной рабочей точки Т строится характеристический треугольник, из которого определяются значения приращений тока коллектора ∆lк, ∆lб и напряжения ∆Uкэ. Величина сопротивления транзистора переменному току ( Rк ) определяется по формуле: Rк =∆Uкэ. /∆lк. Сопротивление транзистора постоянному току также определяется из выходных характеристик транзистора. В точке Т оно равноормуле Rк=Uкэ/Iк. Величина коэффициента усиления по току (Кi) определяется по формуле Кi=∆Iк2/∆Iб. Величина коэффициента усиления по напряжению по формуле Кu=Sк*Rн/Rк+Rн. Рабочая точка по постоянному току Т выбирается в зависимости от мощности и предназначения транзистора. При необходимости усилить слабые сигналы без существенных искажений рабочая точка выбирается как это показано на рис 5.2. При использовании биполярных транзисторов типа п-р-п для усилении положительных импульсных сигналов рабочая точка выбирается таким образом, чтобы при отсутствии сигнала транзистор находился практически в запертом состоянии (точка А). В этом случае при подаче положительного сигнала транзистор за время равное длительности переднего фронта импульса переходит из запертого состояния в открытое (точка Б). В том случае, когда необходимо усиливать отрицательные импульсы используется транзистор типа р-п-р. В тех случаях, когда надо усиливать сигналы обеих полярностей используется схема двухтактного (компементароного) усилителя на транзисторах двух типов п-р-п и р-п-р. Рассмотрение схемы такого усилителя приведено в следующем параграфе. Полевой транзистор. Это полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей заряда, протекающим через проводящий канал, и управляемый электрическим полем. Его иногда называют униполярным, т.к. при его работе используются только основные носители заряда - либо электроны, либо дырки. Проводящий слой, в котором создается рабочий ток транзистора, называется каналом. Полевым транзистором управляет не ток ( как биполярным), а напряжение осуществляющее изменение площади поперечного сечения проводящего канала, в результате изменяется выходной ток. МДП- металл диэлектрик полупроводник. Если роль диэлектрика играет оксид, то полевой транзистор называется МОП-транзистором. Металлический электрод, создающий эффект поля, называют затвором (З), два других электрода – стоком (С) и истоком (И). Исток – это канал, через который поступают основные носители заряда, а сток – через который эти носители уходят из канала. В зависимости от того, какой из выводов является общим для входа и выхода, различают три схемы включения транзистора: с общим истоком (ОИ), с общим стоком (ОС), с общим затвором (ОЗ). Наиболее распространены схемы с общим истоком. Условные обозначения полевых транзисторов на электрических схемах. а) и б) – полевые канальные транзисторы с управляющим p-n переходом; в) и г) – МДП-транзисторы с изолированным затвором и встроенными n и p проводяшими каналами; д) и е) – МДП-транзисторы с изолированным затвором и индуцированными n и p каналами. Достоинства полевых транзисторов: 1. В установившемся режиме IВЫХ стремится к 0; 2. по сравнению с биполярными транзисторами полевые обладают большей температурной стабильностью их характеристик; 3. большое входное сопротивление по постоянному току; 4. высокая технологичность; 5. маленький коэффициент шума. Тиристоры Тиристорами называют широкий класс полупроводниковых приборов релейного типа. К ним относятся: динисторы - неуправляемые релейные приборы, выполненные из трех последовательно включенных « р-п» переходов; триодные управляемые полупроводниковые приборы, предназначенные для переключения напряжений одного знака, симисторы, используемые для переключения положительных и отрицательных напряжений и др. Общим свойством всех тиристоров является их способность находиться в двух состояниях; - выключенном, когда его сопротивление велико и включенном, когда его сопротивление становится малым, а протекающий через него ток большим (десятки и сотни Ампер). Время переключения тиристора из одного состояния в другое мало (десятки мкс). После переключения из закрытого состояния в открытое, протекающий через тиристор ток остается большим до тех пор, пока не будет выключено или сменит свой знак напряжение между анодом и катодом. Ниже основное внимание уделяется рассмотрению триодных тиристоров. Триодные тиристоры широко используются при построении управляемых выпрямителей, переключате­лей электрических напряжений, а также в инверторах. Триодным тиристором называют электронный прибор с тремя р-п переходами и тремя омическими выводами (см.рис.6.7.). Два вывода тиристора (анод и катод) подключаются к источнику питания, а третий к источнику управляющего напряжения (Uу). Триодный управляемый тиристор состоит из трех р-п переходов I, II, и III . Напряжение питания подаётся на тиристор таким образом, что переходы I и III открыты, а переход II закрыт. Сопротивление откры­тых переходов мало и поэтому почти всё напряжение питания E приложено к закрытому переходу II, имеющему большое сопротивле­ние. При этом ток, протекающий через тиристор, очень мал ( единицы мА) и тиристор находится в закрытом состоянии. При выключенном управляющем напряжений по мере увеличения напряжения между анодом и катодом транзистора, что достигается увеличением э.д.с источника питания Е, ток тиристора уве­личивается незначительно до тех пор, пока это напряжение не достигнет напряжения пробоя «р-п» перехода II. После этого происходит лавинообразное увеличение числа носителей заряда за счёт лавинного умножения носителей в переходе II, что приводит к резкому уменьшению его сопротивления. В результате тиристор переходит в открытое состояние. Напряжение Uпер, при котором начинается лавинообразное нарастание тока, может быть снижено введением неосновных носителей заряда в любой из слоев, прилегающих к переходу II. Добавочные носители заряда вводятся в р2 слой управляющей цепью, питаемой от независи­мого источника напряжения Uy. Рис 8.5. Структурная схема тиристора. На рис.8.6. приведены статические вольтамперные характеристики управляемого триодного тиристора при различных значениях управляющего тока. Рис. 8.6.Вольтамперные характеристики тиристора На рис. 8.6 по оси абсцисс отложено напряжение между анодом и катодом тиристора (UАК), а по оси ординат ток, протекающий через тиристор ( Iа). Из рис. 6.8. видно, что при росте то­ка управления( Iу ) напряжение включения тиристора снижается, т.е. ток 1у управляет напряжением включения тиристора. При большом значении управляющего тока требуется более низкое анодное напряжение, при котором происходит лавин­ное нарастание тока. Точка С, расположенная на нижнем участке прямой ветви ВАХ тиристора при отсутствии управляющего тока (1у=0 ), является граничной. При напряжении между анодом и катодом тиристора, соответствующем этой точке, происходит лавинный пробой р-п перехода II. Поэтому напряжение на тиристоре в этой точке называют напряжением переключения Unep. В исходном состоянии при токе управления равном нулю и напряжении на аноде тиристора UАК меньшем напряжения переключения тиристора, тиристор закрыт. При подаче управляющего импульсного напряжения тиристор открывается при Uа меньшем Uпер. Чем больше Iу, тем при меньшем Uа открывается тиристор. Обычно Iу выбирают таким образом, чтобы тиристор открывался при U равном 1..2 В. При открывании тиристора рабочая точка смещается из точки А в точку В на его ВАХ. После переключения тиристора в открытое состояние ток через него резко возрастает. Запирание тиристора происходит только при изменении знака приложенного к аноду напряжения с положительного на отрицательное. При этом прямой ток через тиристор уменьшается до нуля и после рассасывания заряда не основных носителей тиристор запирается. Ток и падение напряжения на тиристоре можно определить графически, построив на ВАХ тиристора линию нагрузки, соответствующую сопротивлению R. Для этого проводят прямую линию, проходящую через точки с координатами ( 0; E/R ) и (Е; 0). Координаты точки пересечения этой линии с ВАХ тиристора определяют ток и напряжение на тиристоре в закрытом и открытом состояниях (точки А и В). Тема 6. Выпрямители и преобразователи на интегральных микросхемах. Однофазный выпрямитель на диодах. Как уже отмечалось выше, до 40% всей электрической энергии, вырабатываемой электростанциями страны в виде переменного напряжения, преобразуется в постоянное. Для этого используются­ выпрямительные устройства на полупроводниковых диодах и тиристорах. На рис. 6.4. приведены принципиальная схема и временные диаграммы токов и напряжений простейшего однофазного однополупериодного выпрямителя с конденсатором Сф, включенном параллельно нагрузке. Рассмотрим работу выпрямителя в установившемся режиме. Ток через диод (iа) начинает протекать, когда напряжение на вторичной обмотке трансформатора (U2) становится больше напряжения на конденсаторе (Uc), что соответствует интервалам времени t1 – t2 и t3. – t4. За это время t1 - t2 происходит заряд конденсатора Сф. Как правило постоянная времени заряда конденсатора τзар=Rд*C выбирается таким образом, что конденсатор успевает зарядится до амплитудного значения напряжения Um2 на выходе вторичной обмотки трансформатора. При этом заряд конденсатора продолжается до величины Um2,а затем начинается его разряд, так как напряжение U2(t) оказывается меньше Uс. Однако в случаях, когда величина С выбрана очень большой, постоянная времени заряда конденсатора (τзар=Rд*Cф) оказывается соизмеримой с интервалом (t1 - t2).При этом конденсатор С не успевает зарядится до амплитудного значения напряжения U2 и его заряд продолжается после прохождения амплитудного значения Um2.Именно такой случай изображен на рис.6.4. Только с момента времени t2 напряжение U2(t) становится меньше напряжения на конденсаторе Uc, диод запирается, и конденсатор начинает разряжаться через сопротивление нагрузки RH. Время разряда конденсатора определяется постоянной вре­мени (τраз=Rн*Сф) и, как правило, значительно большей чем время заряда. К запертому вентилю в это время прикладывается нап­ряжение, максимальное значение которого почти равно удвоенному значению Um2. Рис. 9.1.Принципиальная схема и временные диаграммы токов и напряжений однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром. К моменту времени t3 напряжение U2 вновь становится больше напряжения Uc, диод открывается и ток Iа начинает заряжать конденсатор C и т. д. Если требуется обеспечить более высокий коэффициент сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения, используются более сложные фильтры нижних частот; Г-образные LC или RC типа (см. рис.9.2.). Рис. 9.2. Схема Г-образных фильтров LC и RC типа. В результате падения напряжения на индуктивной катушке LФ значительно уменьшается доля переменной составляющей выпрямленного напряжения. Падения напряжения от постоянной составляющей тока практически нет, так как активное сопротивление индуктивной катушки мало. В маломощных выпрямителях вместо катушки индуктивности (см. рис.6.5) включают резистор Rф. Существенным недостатком однополупериодных выпрямителей является неравномерная нагрузка сети переменного тока, так как выпрямители этого типа потребляет электроэнергию только во время положительного или отрицательного полупериодов переменного напряжения. Поэтому, как правило, для получения постоянного напряжения используются двухполупериодные выпрямители, равномерно загружающие электрическую сеть. Примером такого выпрямителя является мостиковый, в котором для получение выпрямленного напряжения используются четыре диода, включенных по мостовой схеме. Мостовой однофазный двухполупериодный выпрямитель. На рисунке а приведена принципиальная схема двухполупериодного выпрямителя, собранного по мостовой схеме. На этом же рисунке б-г приведены временные диаграммы, поясняющие работу выпрямителя. Рассмотрим особенности работы выпрямителя. Во время положительного полупериода напряжения U2(t) на выходе трансформатора открыты диоды В1 и ВЗ, а диоды В2 и В4 закрыты. В течение отрицательного полупериода U2(t) диоды В1, ВЗ, закрыты, а В2, В4 - открыты. В результате через диоды в каждом полупериоде протекает импульсный ток id (см. рис. в), заряжающий (при замкнутом переключателе S ) конденсатор Сф. За время протекания тока Сф заряжается до напряжения Uс, которое несколько меньше максимального напряжения Um2. Отличие Uс от Um2 невелико и обусловлено падением напряжения на полупроводниковых диодах и вторичной обмотки трансформатора. После того как конденсатор зарядится до напряжения, близкого к Um2, ток id(t) прекращается, так как текущее значение напряжения U2(t) становится меньше Uс = Um2. При этом конденсатор начинает разряжаться через сопротивление Rн (см.рис.в).Зависимость от времени тока(Iн), протекающего через сопротивление нагрузки, приведена на рис.г.На рисунке. в пунктиром изображена также временная диаграмма изменения тока id(t) при разомкнутом переключателе S. Как видно из рассмотрения этих зависимостей, при отключенном конденсаторе на нагрузке образуется пульсирующие напряжение. Включение конденсатора делает напряжение на нагрузке более сглаженным. Чем больше величина конденсатора, тем сильнее сглажено напряжение на нагрузке. Поэтому на выходах выпрямителей, используемых в ЭВМ, обычно включаются конденсаторы, емкость которых составляет доли Фарада. В тех случаях, когда необходимо уменьшить пульсации напряжения, на выходе выпрямителя включаются дополнительные фильтры нижних частот. Существенно можно уменьшить пульсации на выходе выпрямителя также при использовании стабилизаторов напряжения. ; . Коэффициент пульсации: , где n-количество диодов. Управляемый выпрямитель на тиристоре. В выпрямителях на полупроводниковых диодах величина выпрямленного напряжения на выходе однозначно определяется величиной напряжения на входе и коэффициентом трансформации входного трансформатора. Напряжение на выходе управляемого выпрямителя может меняться в широких пределах. Регулирование напряжения на выходе управляемого выпрямителя производится путем изменения момента отпирания тиристора, что достигается в результате подачи соответствующего напряжения на управляющий электрод тиристора. Принципиальная схема однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора: В рассматриваемой схеме возможно включение двух типов нагрузки: чисто активная (ключ К замкнут) и активно-индуктивная (ключ К разомкнут). Рассмотрим работу выпрямителя синусоидального напряжения при чисто активной нагрузке с учетом того, что блок управления (БУ) включает тиристоры VD1, VD2 с запаздыванием на угол α относительно момента перехода напряжения сети U через ноль. Временные диаграммы работы двухполупериодного управляемого выпрямителя на тиристорах: . На интервале О.. оба тиристора закрыты, напряжение на выходе выпрямителя Uн, равно нулю. В момент времени, соответствующий углу , открывается тиристор VD1. При этом на нагрузке выпрямителя Rн на интервале .. формируется напряжение, повторяющие форму напряжения U2. При переходе напряжения U2 через нуль тиристор закрывается, и ток становится равным нулю. Во время отрицательного полупериода напряжения U2 аналогичным образом работает тиристор VD2. Импульсный выпрямитель с бестрансформаторным входным выпрямителем В основу построения импульсных выпрямителей положен принцип выпрямления напряжения сети с последующим преобразованием выпрямленного напряжения в импульсное с частотой повторения импульсов 30.50 кГц. Выпрямление напряжения сети обычно осуществляется мостовым двухполупериодным выпрямителем. Преобразование постоянного напряжения в импульсное осуществляется специальным инвертором на мощных транзисторах. Импульсное напряжение с инвертора подается на высокочастотный малогабаритный импульсный понижающий трансформатор и затем на низковольтный выходной выпрямитель. В последних вариантах построения импульсных выпрямителей отказываются и от использования высокочастотного трансформатора и импульсы с инвертора подаются непосредственно на выходной выпрямитель Использование вторичного источника питания с бестрансформаторным входом, благодаря устранению низкочастотного силового трансформатора и дросселя, а также переходу на повышенные частоты работы инвертора, позволяет повысить коэффициент полезного действия выпрямителя до 85..95%, а также существенно уменьшить его габариты и массу. Структурная схема источника питания с бестрансформаторным входным выпрямителем: В рассматриваемом выпрямителе переменное напряжение сети Uc подается непосредственно на мостовой выпрямитель (Bl) со сглаживающим фильтром(Сф). Выпрямленное напряжение (Uо) поступает на инвертор, выполненный на мощном биполярном транзисторе. Инвертор преобразует постоянное напряжение U0 в последовательность импульсов переменной длительности (Ufn).Частота повторения импульсов может меняться в пределах 20…40кГц. Это напряжение трансформируется высокочастотным малогабаритным трансформатором до требуемого значения(U’fn) и подается на выходной выпрямитель (В2) с фильтром нижних частот. С выхода фильтра постоянное напряжение нужной величины подается на нагрузку выпрямителя. Стабилизация выходного выпрямленного напряжения осуществляется в инверторе методом ШИМ (широко-импульсной модуляции). Для этого с высокоомного делителя напряжения, включенного параллельно нагрузке, снимается часть напряжения и подается на компаратор. На второй вход компаратора подается опорное напряжение (Uоп) с параметрического стабилизатора напряжения. С выхода компаратора напряжение подается на мультивибратор устройства формирования управляющих импульсов инвертора. При отклонении выходного напряжения выпрямителя от номинального значения (Uн0) длительность импульсов, вырабатываемых мультивибратором, изменяется так, чтобы выходное напряжение выпрямителя вернулось к своему номинальному значению. Тема 7. Усилители на интегральных микросхемах. Усилители на интегральных микросхемах. Усилителем называют устройство, предназначенное для усиле­ния входного электрического сигнала по напряжению, току или мощности за счет преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Суть процесса усиления электрических сигналов состоит в преобразовании энергии источ­ника питания усилителя в энергию выходного сигнала по закону, определяемому входным управляющим воздействием. Другими словами, любой усилитель модулирует энергию источника пита­ния входным управляющим сигналом. Этот процесс осуществ­ляется при помощи управляемого нелинейного элемента. Таким образом, для обеспечения усиления сигнала усили­тель (У), последовательно с которым соединен источник пита­ния Еп, должен включать в себя нелинейный элемент, управляе­мый входным электрическим сигналом U1. К входной (управляю­щей) цепи усилителя подключен источник EС усиливаемого сигнала (при этом ZС — комплексное значение внутреннего сопротивления источника), а к выходной — нагрузочное устройство с сопротивлением Zn (рис. 1). Рис.11.1 - Обобщенная структурная схема усилительного устройства Управляемые нелинейные элементы современных усилителей выполняются, как правило, с использованием биполярных и поле­вых транзисторов. Поэтому их часто называют тран­зисторными усилителями. Классификация усилителей: 1. по виду усиливаемого сигнала: • усилители гармонических сигналов. Они предназначены для усиления сигналов, изменение которых происходит много медленнее длительности переходных процессов в самих усилителях. • Усилители импульсных сигналов. Предназначены для усиления импульсных периодических или непериодических сигналов. При этом длительность собственных переходных процессов в усилителе не должна вызывать искажении исходной формы усиливаемых сигналов. 2. По типу усиливаемой величины: ◦ усилители напряжения ◦ тока ◦ мощности. (Однако усиление сигнала по мощности наблюдается в любом усилителе в отличие от других типов преобразователей электрического сигнала.) 3. По диапазону усиливаемых частот: • усилители постоянного тока • усилители переменного тока Усилитель постоянного тока (УПТ) усиливает входной сигнал в диапазоне от нулевой до некоторой верхней частоты 0 U°, что соответствует логической 1. Элемент И может работать и без источника питания. Логический элемент ИЛИ может иметь два (и более) входа, один выход и работать как при потенциальных, так и при импульсных сигналах. Аналогом его может служить схема из параллельно включенных реле. Рассмотрим элемент ИЛИ, выполненный на диодах и предназначенный для работы от сигналов в виде напряжений (импульсов) положительной полярности в положительной логике (рис.2.3). Для того чтобы элемент реализовал операцию И, необходимо, чтобы сигнал на выходе имел значение 1 только тогда, когда хотя бы на одном из входов действует сигнал 1. При этом сигнал 1 на входе должен обеспечивать запирание всех диодов, на которые со стороны входа воздействует сигнал 0. Соотношение потенциалов источника сигналов низкого U0 и высокого U1 уровней и источника питания Е такое же, как и в схеме элемента И: U0 < Е < U1. Если на все входы подано низкое напряжение, все диоды закрыты, так как потенциал их анодов ниже потенциала катодов; следовательно, напряжение на выходе соответствует логическому 0. При подаче хотя бы на один из входов, например Вх1, высокого напряжения откроется диод Д1, который подключен к этому входу, а так как сопротивление открытого диода равно нулю, то на выходе появляется сигнал U1 (логическая 1). Если в это время на какие то диоды со стороны входа будет подан низкий потенциал, то они окажутся закрытыми, так как их катодам сообщится потенциал +U1. На выходе сигнал будет соответствовать логической 1. Таким образом, на выходе схемы появляется сигнал 1, если хотя бы на одном из входов (или первом, или втором, или третьем) сигнал соответствует логической 1. Следует отметить, что элемент ИЛИ в положительной логике может выполнять операцию И в отрицательной логике, и наоборот. Элемент ИЛИ, как и элемент И, может не содержать источника питания. Логический элемент И-НЕ диодно-транзисторной логики (ДТЛ). Входные сигналы подаются на элемент И, выходной сигнал снимается с элемента НЕ. Таким образом, на выходе схемы будет сигнал 1, если на входе элемента НЕ присутствует сигнал 0. Это возможно тогда, когда хотя бы на один вход элемента И подан сигнал 0. Схема на рис.2.4 представляет собой соединение через диоды Дс двух элементов: диодного элемента И и транзисторного элемента НЕ. Рассмотрим работу элемента. Если на все входы подано напряжение, соответствующее логической 1, все диоды будут закрыты и ток в цепи источник Е1, резистор R1, открытые диоды Дс пройдет на базу транзистора. Вследствие падения напряжения на резисторе R1 потенциал 1 окажется несколько ниже потенциала +Е1, диоды Дс будут открыты и потенциал базы Б транзистора меньше потенциала 1 на значение падения напряжения на диодах Дс (но выше 0,6 В, так, что транзистор будет находиться в режиме насыщения). На выходе элемента НЕ установится низкое напряжение, соответствующее логическому 0. Если хотя бы на один вход, например Вх1, будет подан логический 0, то соответствующий диод Д1 будет открыт. И потенциал 1 будет соответствовать логическому 0. Ток от источника Е1 будет проходить через резистор R1. Часть тока замкнется через открытый диод Д1, часть – через смещающие диоды Дс, резистор R2. Потенциал базы Б будет несколько ниже потенциала 1 и значительно меньше 0,6 В, при этом транзистор будет закрыт и на выходе элемента НЕ получаем логическую 1. Логический элемент ИЛИ-НЕ. На рис.2.5 показана схема логического элемента ИЛИ-НЕ, которая работает подобно элементу типа НЕ с несколькими входами. Если на одном или нескольких входах схемы появляется сигнал 1, то он передается на базу транзистора и переводит его в насыщенное состояние (транзистор открывается). В результате этого напряжение на выходе схемы становиться соответствующим логическому 0. Только в том случае, когда на всех входах схемы имеются сигналы 0, транзистор остается в запертом состоянии (за счет напряжения смещения от Еб) и на выходе схемы появляется сигнал 1. Следует отметить, что схема, представленная на рис.2.4 и реализующая функцию И-НЕ в положительной логике, работает как элемент ИЛИ-НЕ в отрицательной логике. Анализ табл. 2.2 позволяет сделать следующий вывод: ; Эти выражения имеют большое значение для преобразования сложных логических схем. Тема 9. Источники вторичного электропитания. Все средства электропитания можно разделить на первичные и вторичные. К первичным относятся – аккумуляторы, солнечные батареи, гальванические элементы, т.е. такие средства, которые преобразуют неэлектрическую энергию в электрическую. Вторичные источники – формируют необходимые для работы электронных элементов напряжения с заданными характеристиками, которые необходимы конкретным системам (ИВЭП). В состав ИВЭП, кроме самого источника питания, могут входить дополнительные устройства, которые обеспечивают его нормальную работу при различных внешних воздействиях. Как видно из приведенной на рис. 29.1 схемы, ИВЭП включается между первичным источником и нагрузкой, поэтому на него воздействуют различные факторы, связанные с изменениями характеристик, как первичного источника, так и нагрузки. Например, при увеличении или понижении напряжения первичного источника ИВЭП должен обеспечивать нормальное функционирование питаемой им электронной аппаратуры. Устройство управления и контроля, входящее в состав ИВЭП, может быть ис­пользовано для изменения характеристик ИВЭП при различных сигналах внешнего или внутреннего управления: дистанционного включения или выключения, перевода в ждущий режим, формирования сигналов сброса и др. В то же время устройство защиты и коммутации позволяет сохранить работоспособность ИВЭП при возникновении различных нестандартных режимов, короткого замыкания в нагрузке, ее внезапного от­ключения, резкого повышения окружающей температуры и др. Эти дополнительные устройства могут быть обеспечены собственными источниками электропитания, включая резервные аккумуляторы или гальванические элементы. Классификация ИВЭП. 1. По виду первичного ис­точника электропитания: • инверторные и конверторные ИВЭП. Инверторные ИВЭП используются для преобразования напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока, т. е. они изменяют не только значение, но и род выходного напряжения. К инверторным ИВЭП относятся также преобразователи постоянного напряжения первичного источника в переменное на­пряжение, питающее нагрузку. Например, к инверторам можно отнести обычный выпрямитель (который преобразует переменное напряжение сети в постоянное вы­ходное напряжение), а также электронный генератор (который преобразует напряже­ние аккумулятора или гальванического элемента в переменное выходное напряже­ние, питающее электродвигатель). Конверторные ИВЭП используются для преобразования одного напряжения в другое. Например, к конверторам постоянного напряжения можно отнести обычные электронные стабилизаторы постоянного напряжения, а к конверторам переменного напряжения можно отнести трансформаторы. 2. По принципу действия: • трансформаторные и бестрансформаторные. В трансформаторных ИВЭП напряжение пере­менного тока, например, силовой сети, вначале изменяется по значению при помощи трансформатора, а затем выпрямляется и стабилизируется. В бестрансформаторных ИВЭП, наоборот, переменное напряжение сети вначале выпрямляется, а затем преобразуется в переменное напряжение более высокой частоты. В преобразователе может использоваться высокочастотный трансформатор, поэтому точнее эти источники называть несколько иначе: с трансформаторным или бестрансформаторным входом. Так как преобразователи в таких источниках обычно работают в импульсном режиме, то и ИВЭП такого типа часто называют импульсными. 3. По количеству различных выходных напряжений • одноканальные и многоканальные. Если в каждом канале используется отдельный стабилизатор выходного напряжения, то говорят, что это многоканальный ИВЭП с индивидуальной стабилизацией. Если же для стабилизации всех выходных напряжений используется выходное напряжение только одного источника (который называется главным или ведущим), то такие источники называются ИВЭП с групповой стабилизацией. 3. По выходной мощности ИВЭП • на микромощные (1 Вт), • маломощные (от 1 до 100 Вт), • средней мощности (от 100 Вт до 1кВт), • мощные (> 1 кВт). Основные характеристики ИВЭП. Все характеристики ИВЭП можно разделить на три группы: входные, выходные и эксплуатационные. К входным характеристикам ИВЭП относят: — значение и вид напряжения первичного источника питания, например, питающей силовой сети или аккумулятора; — нестабильность питающего напряжения Uc=Uс IUс; — частоту питающего напряжения и ее нестабильность; — количество фаз источника переменного напряжения; • допустимый коэффициент гармоник питающего напряжения. К выходным характеристикам ИВЭП обычно относят: — значения выходных напряжений; — нестабильность выходных напряжений Uвых=Uвых IUвых; — ток нагрузки или выходную мощность по каждому каналу; — наличие гальванической изоляции между входом и выходом; • наличие защиты от перегрузки или повышения выходного напряжения. К эксплуатационным характеристикам относят: — диапазон рабочих температур; — допустимую относительную влажность; — диапазон допустимых давлений окружающей атмосферы; — допустимые механические нагрузки; — коэффициент полезного действия ИВЭП; — удельную мощность; — надежность. Коэффициент полезного действия ИВЭП. Эффективность работы ИВЭП при­нято оценивать его коэффициентом полезного действия (КПД). Для оценки КПД ИВЭП рассмотрим упрощенную схему, приведенную на рис. 29.2 а. Предположим, что на вход ИВЭП из первичного источника поступает мощность Рп. Из этой мощности часть Рпр рассеивается в ИВЭП, а другая часть Рп поступает в нагрузку. При этом КПД п ИВЭП можно определить по формуле: 29.1 Мощность Рн, поступающая в нагрузку, равна выходной мощности Рп ИВЭП. Часть этой мощности Рнр рассеивается в нагрузке, а другая часть Рн является полезной мощностью нагрузки, При этом КПД нагрузки н можно оценить по формуле: 29.2 Из уравнений (29.1) и (29.2) можно найти мощности Рнр и Рпр, рассеиваемые в нагрузке и ИВЭП: 29.3 В результате найдем мощность Рр, которая рассеивается в системе: (29.4) Эффективность ИВЭП можно определить отношением мощности, рассеиваемой ИВЭП, к суммарной рассеиваемой мощности: что позволяет приближенно оценить относительные размеры ИВЭП в общих размерах системы. Зависимость (п) при различных значениях п приведена на рис. 29.2 б. Прямая линия при н =0 относится к нагрузкам типа ЭВМ, в которых практически вся мощность, потребляемая нагрузкой, превращается в тепло. При этом, чем выше эффективность ИВЭП, тем меньше его объем в общем объеме системы ЭВМ. Возможности увеличения КПД ИВЭП ограничены. Для импульсных ИВЭП теоретическое значение п  1. Однако реальный КПД определяется потерями в элементах: транзисторах, диодах, конденсаторах и др., и обычно не превышает 0,95. Например, выпрямитель на диоде при напряжении 5В имеет КПД около 0,94. В общем случае оценить зависимость КПД ИВЭП от параметров элементов очень сложно. Надежность ИВЭП. Источники электропитания должны в течение определенного времени сохранять свои параметры в пределах, указанных в технических услови­ях, обеспечивая бесперебойную работу электронной аппаратуры. Основными причинами отказов ИВЭП являются не только катастрофические отказы элементов, но также неправильно заданные требования к качеству входных (питающих) и выходных напряжений, ошибки, допущенные при выборе схемы и при проектировании отдельных узлов, некачественное изготовление ИВЭП и неправильная эксплуатация. Обеспечение надежности ИВЭП, заложенное на этапе разработки, сводится к сле­дующим основным положениям: •тщательному обоснованию выбора структурной схемы; • обоснованному выбору элементной базы с достаточно высоким запасом по предельным режимам и пара­метрам; •разработке конструкции, обеспечива­ющей хороший теплоотвод и легкий доступ к отдельным узлам и элемен­там; • проведение всесторонних испытаний макетов по климатическим и механи­ческим воздействиям. Выбор структурной схемы ИВЭП дол­жен производиться с учетов требований надежности. При разработке должны предусматриваться необходимые устройства защиты, которые не участвуют в работе ИВЭП, а только обеспечивают повышение надежности. В их функцию входит: • защита силовых элементов — транзисторов, диодов, тиристоров и др.; • защита ИВЭП от коротких замыканий или полного отключения нагрузки; • защита от возможных повышений или понижений питающих (входных) напряжений; • защита нагрузки от возможных повышений или понижений выходных напряжений; • защита от повышения температуры окружающий среды. Выбор элементной базы в наибольшей мере влияет на надежность ИВЭП. Используемые элементы должны проходить тренировку перед установкой в ИВЭП. Конструкция ИВЭП должна обеспечивать хороший теплоотвод от нагревающихся элементов: транзисторов, диодов, трансформаторов, — и не допускать нагрев других элементов от нагревающихся элементов. Например, нельзя допускать нагрев микросхем управления от силовых транзисторов. С целью обеспечения ремонтопригодности конструкция ИВЭП должна обеспечивать легкий доступ ко всем элементам. Расположение элементов должно быть таким, чтобы не вызывать повреждение питаемого устройства. Лабораторные испытания макетов помогают вскрыть недостатки, которые не были учтены при разработке схемы и конструкции ИВЭП. Основная задача испытания макета — это обнаружение слабых мест в схеме и конструкции. Поэтому перед проведением испытаний составляют программу, в которой предусматривают проверку всех схем защиты и влияние различных климатических и механических воздействий. При соблюдении всех перечисленных требований ИВЭП должен обеспечивать требуемую наработку на отказ. Для полупроводниковых ИВЭП наработка на отказ должна быть не менее 10 тысяч часов при наработке на отказ отдельных элементов от 60 до 100 тысяч часов. Рассмотрим пример повышения надежности ИВЭП, выполняемые на стадии проектирования. На рис. 29.4 приведена схема ограничения тока в выпрямительном диоде VD1 при заряде емкости фильтра Сф. Так как при включении выпрямителя емкость Сф не заряжена, то для выпрямительного диода она на некоторое время эквивалентна короткому замыканию. В связи с этим ток в диоде может превысить предельно допустимое значение, что понизит его надежность. Для ограничения пускового тока последовательно с диодом включают ограничительное сопротивление R0. Однако, включение этого сопротивления в рабочем режиме после заряда конденсатора только понижает КПД выпрямителя, поэтому параллельно с диодом включают тиристор VD2, который управляется напряжением на конденсаторе фильтра Сф, а после заряда конденсатора Сф включается тиристор и происходит шунтирование сопротивления R, в результате чего в рабочем режиме ток идет через тиристор, падение напряжения на котором намного меньше, чем на сопротивлении. Тема 10. Оптоэлектронные приборы и устройства. Оптрон. Оптопара. Отличительные особенности оптронов. Достоинства этих приборов базируются на общем оптоэлектронном принципе использования электрически нейтральных фотонов для переноса информации. Основные из них следующие: Структурная схема. В структурой схеме входное устройство служит для оптимизации рабочего режима излучателя (например, смещения светодиода на линейный участок ватт-амперной характеристики) и преобразования (усиления) внешнего сигнала. Входной блок должен обладать высоким КПД преобразования, высоким быстродействием, широким динамическим диапазоном допустимых входных токов (для линейных систем), малым значением “порогового” входного тока, при котором обеспечивается надежная передача информации по цепи. Назначение оптической среды - передача энергии оптического сигнала от излучателя к фотоприемнику, а также во многих случаях обеспечение механической целостности конструкции. Принципиальная возможность управления оптическими свойствами среды, например, с помощью использования электрооптических или магнитооптических эффектов, отражена введением в схему устройства управления, В этом случае мы получаем оптрон с управляемым оптическим каналом, функционально отличающийся от “обычного” оптрона: изменение выходного сигнала может осуществляться как по входу, так и по цепи управления. В фотоприемнике происходит “восстановление” информационного сигнала из оптического в электрический; при этом стремятся иметь высокую чувствительность и высокое быстродействие. Наконец, выходное устройство призвано преобразовать сигнал фотоприемника в стандартную форму, удобную для воздействия на последующие за оптроном каскады. Практически обязательной функцией выходного устройства является усиление сигнала, так как потери после двойного пpeобразования очень значительны. Нередко функцию усиления выполняет и сам фотоприемник Диодные оптопары в большой степени, чем какие-либо: другие приборы, характеризуют уровень оптронной техники. По величине коэффициента передачи тока можно судить о достигнутых КПД преобразования энергии в оптроне; значения временных параметров позволяют определить предельные скорости распространения информации. Подключение к диодной оптопаре тех или иных усилительных элементов, весьма полезное и удобное, не может тем не менее дать выигрыша ни по энергетике, ни по предельным частотам. Транзисторные оптопары рядом своих свойств выгодно отличаются от других видов оптронов. Это прежде всего схемотехническая гибкость, проявляющаяся в том, что коллекторным током можно управлять как по цепи светодиода, так и по базовой цепи, а также в том, что выходная цепь может работать и в линейном и в ключевом режиме. Механизм внутреннего усиления обеспечивает получение больших значений коэффициента передачи тока, так что последующие усилительные каскады не всегда необходимы. Тиристорные оптопары наиболее перспективны для коммутации сильноточных высоковольтных цепей: по сочетанию мощности, коммутируемой в нагрузке, и быстродействию они явно предпочтительнее Т2 -оптопар. Оптопары типа АОУ103 предназначены для использования в качестве бесконтактных ключевых элементов в различных радиоэлектронных схемах: в цепях управления, усилителях мощности, формирователях импульсов и т. п. Резисторные оптопары принципиально отличаются от всех других видов оптопар физическими и конструктивно-технологическими особенностями, а также составом и значениями параметров. При передаче информации оптроны используются в качестве элементов связи, и, как правило, не несут самостоятельной функциональной нагрузки. Их применение позволяет осуществить весьма эффективную гальваническую развязку устройств управления и нагрузки (рис 4.1), действующих в различных электрических условиях и режимах. С введением оптронов резко повышается помехоустойчивость каналов связи; практически устраняются “паразитные” взаимодействия по цепям “земли” и питания. ПОЛУЧЕНИЕ И ОТОБРАЖЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ. Оптроны и оптронные микросхемы занимают прочные позиции в бесконтактной дистанционной технике оперативного получения и точного отображения информации. Уникальными возможностями в этом плане обладают оптроны с открытыми оптическими каналами. Среди них оптоэлектронные прерыватели, реагирующие на пересечение оптического канала непрозрачными объектами и отражательные оптроны, у которых воздействие светоизлучателей на фотоприемники всецело связано с отражением излучаемого потока от внешних объектов. Оптоволокно. Понятие. Назначение. Применение. Оптоволокно — это стеклянная или пластиковая нить, используемая для переноса света внутри себя посредством полного внутреннего отражения. Конструкция отдельно взятого оптического волокна достаточно проста. Сердечник из оптически более плотного материала окружен оболочкой с меньшим коэффициентом преломления и все это покрыто защитной оболочкой. Для изготовления стекловолокна нужны окислы кремния - самые распространенные на Земле вещества. Волокна из прозрачных пластиков также почти не нуждаются в редких материалах. Таким образом, источники сырья для производства световолокон практически не ограничены. К этому следует добавить, что по диаметру оптические кабели существенно меньше металлических. Материалы оптических кабелей не подвержены коррозии и экологически безопасны. Волоконно-оптические кабели не восприимчивы к помехам со стороны электромагнитных полей радиодиапазонов, и сами не создают таких помех. Поэтому в плане электромагнитной совместимости - это идеальные средства передачи информации. Столь же совершенны они и по электробезопасности, поскольку переносимые в них мощности очень малы. Оптоволокно может выполняться из пластика, в этом случае оно проще в монтаже, но обладает более низкими характеристиками. Каждое оптоволокно передаёт сигнал только в одном направлении, поэтому кабель состоит из 2-х волокон с самостоятельными коннекторами (одно служит для передачи данных, другое – для приёма сигналов). Жёсткость кабелей увеличивается покрытием из пластика, а прочность, например, волокнами из кевлара. В оптоволоконном кабеле данные передаются в виде модулированных световых импульсов. Источники света являются: 1.     полупроводниковый лазер; 2.     светодиод. Приемники света: Фотодиод И сердцевина, и оболочка изготавливаются из стекла или пластика. Наиболее часто (вследствие лучших характеристик) используется оптоволокно типа "стекло-стекло", когда сердцевина и оболочка изготавливаются из особого кварцевого стекла. Понятно, что стекло, используемое для оболочки, должно иметь меньший показатель преломления, чем для сердцевины. Показатель преломления стекла регулируется с помощью легирующих добавок. В оптических волокнах показатели преломления сердцевины и оболочки различаются на величину порядка 1%. Типы оптических кабелей: 1.     Одномодовый 2.     Многомодовый Модой в оптике называется независимый путь прохождения луча света по волокну. Исходя из этого, в одномодовом кабеле свет может проходить только по одному пути, а в многомодовом - по нескольким. Наиболее распространенный одномодовый световод имеет диаметр сердцевины 8.3 микрометра, многомодовый 62.5 микрометра. Диаметр оболочки световода составляет в большинстве случаев 125 мкм. Все эти размеры стандартизированы. Преимущества и недостатки оптоволокна Преимущества: 1.        Высокозащищённый способ передач, так как в нём не используется электрический сигнал, следовательно, к нему нельзя подключиться, не разрушая его, и перехватывать данные, от чего не застрахован любой кабель, предающий электрический сигнал. 2.        Передача по оптоволокну неподвержена электромагнитным помехам. Это качество позволяет активно использовать оптическую среду передачи даже в производственных помещениях с большим количеством электромагнитных помех. 3.        Передача ведётся на большие расстояния, так как сигнал почти не затухает и не искажается. Обмен данными с использованием светового сигнала вместо электрического, обеспечивает возможность передачи информации на расстояния до 10-20 километров без использования повторителей (при применении одноволнового кабеля) 4.        Оптоволоконные технологии обеспечивает скорость передачи данных 1000 Mbps. Недостатки: 1.     Относительно высокая стоимость. 2.     Сложность при монтаже и прокладке кабеля. Подключение оптоволоконного кабеля это достаточно сложная технология в несколько этапов. Для подключения используются специальные коннекторы – сплайсы - коробочки с автоматическим центрированием жил. Технология без клея требует выполнения качественного перпендикулярного среза оптоволокна. Либо во втулку наливают гель - он служит и герметиком и обеспечивает оптический контакт. Для соединения двух кусков кабеля используется сварка или специальные устройства. Оптоволокна используются в оптоволоконной связи, которая позволяет передавать цифровую информацию на большие расстояния и с более высокой скоростью передачи данных, чем в электронных средствах связи. Оптоволокно может быть использовано как датчик для измерения напряжения, температуры, давления и других параметров. Малый размер и фактическое отсутствие необходимости в электрической энергии, дает оптоволоконным датчикам преимущество перед традиционными электрическими в определенных областях. Оптоволокно используется в гидрофонах в сейсмических или гидролокационных приборах. Созданы системы с гидрофонами, в которых на волоконный кабель приходится более 100 датчиков. Системы с гидрофоновым датчиком используются в нефтедобывающей промышленности, а также флотом некоторых стран. Немецкая компания Sennheiser разработала лазерный микроскоп, работающий с лазером и оптоволокном. Оптоволоконные датчики, измеряющие температуры и давления, разработаны для измерений в нефтяных скважинах. Оптоволоконные датчики хорошо подходят для такой среды, работая при температурах, слишком высоких для полупроводниковых датчиков. Уже несколько десятилетий назад в повседневной жизни стали активно применяться оптоволоконные системы освещения. Применение оптоволокна позволяет легко и эффективно решать сотни технических проблем, возникающих при разработке световых проектов, а во многих случаях является единственно возможным решением. Они используются как световоды в медицинских и других целях, где яркий свет необходимо доставить в труднодоступную зону. В некоторых зданиях оптоволокна используются для обозначения маршрута с крыши в какую-нибудь часть здания. В последние годы развивается направление: солитоновые системы связи. Солитон - это световой импульс с необычными свойствами: он сохраняет свою форму и теоретически может распространяться по "идеальному" световоду бесконечно далеко. Солитоновые системы, в которых отдельный бит информации кодируется наличием или отсутствием солитона, могут иметь пропускную способность не менее 5 Гигабит в секунду на расстоянии 10000 км.