Электротехника

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Старооскольский филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования "Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе" УТВЕРЖДАЮ Зав. кафедрой __________________________ «___» 2015г. ПАНОВ В.П. Конспект лекций дисциплины « Электротехника и электроника» г. Старый Оскол 2016г. ЭЛЕКТРОТЕХНИКА Лекция №1. Введение: Существуют следующие типы физического взаимодействия: 1) гравитационное, 2) электромагнитное, 3) сильное ядерное, 4) слабое ядерное. Электрическое взаимодействие ответственно за большинство явлений повседневной жизни (за удержание электронов и ядер друг около друга и образование атомов, за различные типы молекулярных связей, за взаимодействия внутри биологических клеток и передачу между ними сигналов и т.д.). Далее, электромагнитная энергия может излучаться. Мы сталкиваемся с этим в форме света, теплового (инфракрасного) и рентгеновского излучений, радио и телевидения и т.п. Ясно, что невозможно объяснить все эти явления сразу. Поэтому их подразделяют на три класса: в первом из них электрические заряды, которые являются источниками взаимодействия, будут находиться в покое как друг относительно друга, так и относительно наблюдателя. Данный раздел называется электростатикой. Во втором – электрические заряды движутся с постоянной средней скоростью в электрической цепи. Этот раздел называется электрический ток. Третий класс – заряды движутся с ускорением. В этом случае энергия излучается в пространство. ЭЛЕКТРОСТАТИКА. Опытным путем установлено, что во всяком теле содержится большое количество электрически заряженных частиц вещества. Эти частицы или входят в состав молекул, или являются “свободными” (не входят в состав молекул). В обычных условиях в теле находится в среднем равное количество положительно и отрицательно заряженных частиц и тело является электрически нейтральным. Если же в теле преобладают положительные или отрицательные заряды, то тело называется электрически заряженным. Если вблизи заряженного тела (частицы) находится другое заряженное тело (частица), то между ними возникают силы электрического взаимодействия. Разноименные заряженные частицы притягиваются друг к другу, одноименные отталкиваются. Взаимодействие заряженных частиц объясняется тем, что каждая из них неразрывно связана с окружающим ее электрическим полем. Электрическое поле обладает энергией, которую называют электрической энергией. Электрическое поле неподвижных зарядов называют электростатическим. Если в электрическое поле заряженной частицы внести другую заряженную частицу, то последняя будет испытывать действие силы поля, в свою очередь электрическое поле второй частицы будет действовать на первую частицу. По силе взаимодействия можно определить величины электрических зарядов. Электрический заряд обозначается буквой Q и измеряется в кулонах. Один кулон численно равен количеству электричества, проходящего через поперечное сечение проводника при токе 1А за одну секунду (1 с.). Напряженность электрического поля. Каждая точка электрического поля характеризуется напряженностью электрического поля, т.е. силой с которой поле действует на единичный пробный заряд. Напряженность электрического поля рассматривают как векторную величину. За направление вектора напряженности принимают направление силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещенный в данную точку поля. Поле изображают линиями со стрелками, которые указывают направление силы, действующей на единичные пробные заряды. Примеры: Опыты Шарля Кулона (1736-1806 г.г.) показали, что сила взаимодействия пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния R между ними, кроме того она зависит от среды в которой расположены оба заряда. - закон Кулона Силы взаимодействия неподвижных электрических зарядов называют электростатическими. Электрический потенциал, разность потенциалов (напряжение) Возьмем положительный пробный заряд и переместим его от нижней до верхней пластины плоского конденсатора, как показано на рисунке. Действующая на этот пробный заряд электрическая сила постоянна и направлена в сторону, противоположную перемещению. Эта сила равна . Работа, совершенная этой силой при перемещении электрического заряда, равна где d- перемещение заряда между пластинами. Работа, совершаемая при перемещении единичного положительного заряда, равна . Эта работа, совершаемая над единичным зарядом при перемещении его из одной точки электрического поля в другую, называется разностью электрических потенциалов (или просто разностью потенциалов) в начальной и конечной точках. Разность потенциалов двух точек электростатического поля называется также электрическим напряжением (обозначение U) между этими точками. Единица разности потенциалов называется вольтом. , 1кВ=1000В. Обратите внимание, что разность потенциалов характеризует не силу, действующую на заряды, а энергию, сообщаемую каждому кулону заряда при перемещении его от отрицательного полюса к положительному. Накопление электрических зарядов- электрическая емкость Электрическая емкость заряженного тела равна , Ф Электрическая емкость характеризует способность тела накапливать электрические заряды, измеряется в фарадах. В электротехнике обычно используются микрофарады: мкФ, и пикофарады пкФ. Чаще всего для накопления электрических зарядов используют конденсаторы. Они представляют собой два проводника расположенные близко друг к другу и разделенные слоем диэлектрика. Чаще всего проводники выполняются в виде металлических пластин. В этом случае емкость конденсатора можно вычислить по формуле: , где с- емкость,Ф; S- площадь поперечного сечения пластин, м2; d- расстояние между пластинами, м Еа- абсолютная диэлектрическая проницаемость изоляции , где - электрическая постоянная, Е- относительная диэлектрическая проницаемость. Табл. 1 Значения относительной диэлектрической проницаемости ряда веществ, используемых в конденсаторе Материал Е Бумага парафинированная 4,3 Вода дистиллированная 80,4 Масло минеральное 2,2 Мрамор 8,3 Резина 2,7 Слюда 6-7,5 Фарфор 5,8 Титанат стронция 330 Титанат бария 6000-12000 (!!!) Воздух 1,00059 Лекция №2 Электропроводность вещества. Окружающие нас вещества состоят из атомов и молекул, которые имеют положительно заряженные ядра и отрицательно заряженные электроны. Атомы и молекулы электрически нейтральны, т.к. заряд ядра равен суммарному заряду электронов, окружающих ядро. При некоторых условиях, например при увеличении температуры, атом или молекула теряют электрон. Такой атом (молекула) превращается в положительный ион. Оторвавшийся электрон может присоединиться и к другому атому (молекуле), так что образуется отрицательный ион, или остаться свободным. Процесс образования ионов называют ионизацией. В веществе, помещенном в электрическое поле, под действием сил поля возникает процесс движения свободных электронов или ионов в направлении сил поля, называемый электрическим током. Свойство вещества проводить электрический ток под действием электрического поля называется электропроводностью. Электропроводность вещества зависит от концентрации свободных электрически заряженных частиц. При высокой концентрации электропроводность вещества больше, чем при малой. Все вещества в зависимости от электропроводности делятся на проводники, диэлектрики (электроизоляционные материалы) и полупроводники. Проводники Обладают очень высокой электропроводностью. К проводникам первого класса, в которых возможно перемещение только электронов, относятся металлы и их сплавы. В металлах электроны, расположенные на внешних орбитах, сравнительно слабо связаны с ядрами атомов, от него часть электронов перемещается между атомами, переходя из сферы действия одного ядра в сферу действия другого и заполняя пространство между ними наподобие газа, который иногда называют «электронный газ». В проводниках второго класса (водные растворы кислот, солей и пр.) под действием растворителя молекулы вещества распадаются на положительные и отрицательные ионы, которые подобно электронам в металлах могут перемещаться по всему объему проводника. Внутри проводника невозможно существование электростатического поля. Диэлектрики Вещества с ничтожно малой электропроводностью называются диэлектриками или изоляторами; к ним относятся газы, некоторые жидкости (например, минеральные масла и лаки) и почти все твердые материалы, за исключением металлов и угля. Однако, при некоторых условиях в диэлектриках происходит расщепление молекул на ионы (например, под действием высокой температуры или в сильном поле) в этом случае диэлектрики теряют свои изолирующие свойства и становятся проводниками. Диэлектрики обладают свойством поляризоваться, и в них возможно длительное существование электростатического поля. При нормальных условиях диэлектрик обладает незначительной электропроводностью. Это свойство сохраняется, пока напряженность электрического поля не увеличится до некоторого предельного для каждого диэлектрика значения. В сильном электрическом поле, происходит расщепление молекул диэлектрика на ионы и тело, которое в слабом поле было диэлектриком, становится проводником. Напряженность электрического поля, при которой начинается ионизация молекул диэлектрика, называется пробивной напряженностью (электрической прочностью) диэлектрика. Табл. Материал Пробивная напряженность, кв/мм. Бумага, пропитанная парафином 10-25 Воздух 3 Масло минеральное 5-15 Электрокартон 9-14 Фарфор 6-7,5 Полупроводники Вещества, электропроводность которых занимает промежуточное положение между электропроводностью проводников и диэлектриков, называются полупроводниками. К ним относятся: кремний, германий, селен и др. Для полупроводников характерно изменение электропроводности в широких пределах под действием различных факторов (например, температуры или электрического поля). Лекция №2. Электрические цепи постоянного тока Для того, чтобы получить электрический ток в проводниках, нужно создать электрическую цепь. Электрическая цепь образуется из источников электрической энергии, в которых возбуждается электродвижущая сила,(сокращенно ЭДС) и потребителей электрической энергии. При наличии тока в источниках энергии происходит непрерывное праобразование различных видов энергии в электрическую, в потребителях наоборот, электрическая энергия преобразуется в другие виды энергии. Источники и потребители энергии соединяются обычно медными или алюминиевыми проводами. При движении по проводникам заряды испытывают столкновения с другими частицами вещества и отдают им всю энергию. Полученную за счет электрического поля, или часть ее. Для поддержания движения зарядов в проводниках должно существовать электрическое поле, которое при продвижении зарядов совершает работу. Вследствие этого всякий проводник обладает сопротивлением электрическому току. Чем больше столкновений испытывает каждый из подвижных зарядов, и чем меньше число этих зарядов, тем сильнее должно быть электрическое поле, чтобы поддерживать в проводнике ток нужной величины, т.е. тем больше сопротивление проводника. Энергия, отдаваемая движущимися зарядами частицам тела, превращается в энергию их хаотического движения, т.е. в тепло. Происходит нагревание проводника протекающим по нему током. В современной технике в качестве источников энергии применяют главным образом электрические генираторы, в которых механическая энергия преобразуется в электрическую,и первичные элементы и аккумуляторы, в которых происходит преобразование химической энергии в электрическую. К потребителям электрической энергии относятся: электродвигатели (в которых электрическая энергия преобразуется в механическую), лампы накаливания, различные нагревательные приборы (в которых электрическая энергия преобразуется в тепловую), эдектролитические ванны, в которых происходит преобразование электрической энергии в химическую и т.д. В качестве вспомогательного оборудования в электрическую цепь входят аппараты для выключения и отключения (например рубильники), приборы для измерения электрических величин (например, амперметры, вольтметры), аппараты защиты (предохранители и др.). Графическое изображение электрической цепи называется схемой электрической цепи. Условные графические обозначения в электрических схемах. Наименование Условное обозначение Источники электрического тока Элемент гальванический или аккумулятор Батарея из гальванических элементов Генератор электрический Линия электрической связи (провод, кабель, шина) Заземление Предохранитель плавкий Контакт коммутационного устройства Выключатель трехполюсной Соединение контактное разъемное Катушка электромеханического устройства Резистор постоянный Резистор переменный Конденсатор постоянной емкости Катушка индуктивности с ферромагнитным сердечником Трансформатор с ферромагнитным сердечником Автотрансформатор однофазный с ферромагнитным сердечником Амперметр Вольтметр Лампа накаливания Диод полупроводниковый Транзистор структуры р-п-р Транзистор структуры n-р-n Лекция №3 Электрический ток Мерой электрического тока служит величина, измеряемая количеством электричества (зарядом), которое проходит через поперечное сечение проводника за 1 с. Единицей тока называется ампер (А). Ток («сила тока») в проводнике равен 1А, если через поперечное сечение проводника за 1 с. проходит электрический заряд, равный 1 кулон. Если величина тока не изменяется с течением времени, то такой ток называется постоянным (обозначается прописной буквой I). ; где Q-заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за время t. Изменяющийся ток, в отличие от постоянного, обозначают строчной буквой i. По международному соглашению, за направление тока условно принимается направление, в котором перемещаются положительно заряженные частицы, т. е. направление, противоположное перемещению электронов. Величина, равная отношению тока к площади поперечного сечения проводника S, называется плотностью тока , измеряется в А/мм2. Электродвижущая сила (ЭДС). На электрические заряды могут действовать силы не только со стороны электрических полей других зарядов, но и электрических полей иного происхождения, возникающих в результате изменения магнитного поля или химических реакций. Эти причины могут вызывать движение электрических зарядов, т.е. электрический ток. Однако действие этих причин принципиально отлично от действия электрического поля зарядов. Чтобы разделить эти два типа причин силы, действующие со стороны электрических полей других зарядов, называют кулоновыми силами, а все остальные причины объединяют под общим названием сторонних электродвижущих сил или кратко ЭДС. ЭДС измеряется в тех же единицах, что и разность потенциалов (т.е. в вольтах). Существование ЭДС необходимо для поддержания электрических токов, и все источники тока являются, по существу, источниками ЭДС. Количественные соотношения между ЭДС и силой тока в цепи даются законом Ома. Закон Ома. Георг Ом (1787-1854) установил, что ток в проводе прямо пропорционален напряжению между его концами. Т.е. если на участке цепи с сопротивлением R, действует напряжение U, то согласно закону Ома, по данному участку протекает ток. Для электрической цепи, составленной из источника питания с ЭДС Е и внутренним сопротивлением r0, который замкнут на внешнюю цепь с сопротивлением R: - Закон Ома для электрической цепи. Сопротивление Во всех элементах электрической цепи происходит преобразование энергии, т.е. элементы цепи обладают сопротивлением направленному движению свободных зарядов. С количественной стороны это явление характеризует величина, называемая – сопротивлением, и обозначаемая буквой R. Единица сопротивления называется Ом. Сопротивлением в 1 Ом обладает проводник, в котором устанавливается ток в 1 А при напряжении 1 В. ; 1кОм=103 Ом; 1 мОм=106 Ом. Единица, обратная сопротивлению называется проводимостью. Под удельным сопротивлением понимают величину, численно равную сопротивлению провода длиной 1 м, при поперечном сечении 1 мм2 и температуре 20оС. Табл. Значения удельных сопротивлений для некоторых проводников Материал Удельное сопротивление Ом мм2/м Алюминий 0,029 Вольфрам 0,056 Железо 0,13-0,3 Медь 0,0175 Нихром 1,1 Провода из металлов с наименьшим удельным сопротивлением (медь, алюминий) используют для изготовления линий электропередач, обмоток электрических машин, трансформаторов и т. п. Удельное сопротивление металлов зависит также от температуры. При нагревании металлов наблюдается рост удельного сопротивления, а значит и сопротивления всего провода (пример перегорания лампочек). Работа и мощность электрического тока. Для поддержания электрического тока в проводниках в них должно существовать электрическое поле, которое совершает положительную работу, передвигая заряды вдоль проводника. Если напряженность электрического поля в проводнике Е, то на заряд q действует сила . Пусть заряд переместился по проводнику на расстояние d. Тогда электрический ток совершит работу равную . Но , где U-разность потенциалов на концах проводника и, следовательно, работа . При движении зарядов работа электрического тока в проводнике за время t равна количеству электричества Q, протекшему через поперечное сечение проводника за это время, умноженному на разность потенциалов между концами проводника U: Поскольку ток , то , а работа за единицу времени, т.е. мощность . Единица измерения мощности называется ватт. , 1 кВт=103 Вт. Электрическая энергия подсчитывается в ватт-часах или . Расчет электрических цепей постоянного тока. Правила Кирхгофа. 1) Сумма токов, направленных к точке разветвления, равна сумме токов, направленных от нее. I1+I3+I5=I2+I4 Преобразуя это соотношение, получим: I1+(-I2)+I3+(-I4)+I5=0 Т.е т.е. алгебраическая сумма токов в точке разветвления равна нулю. При этом токи, направленные к узлу, считаются положительными, а токи, направленные от узла – отрицательными (или наоборот). Узлом называют точку цепи из которой провода уходят больше чем в двух направлениях Второе правило Кирхгофа: В замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме падений напряжения в отдельных сопротивлениях. При этом положительными надо считать ЭДС, направления которых совпадают с произвольно выбранным направлением обхода по контуру. Если контур не содержит источников, то. Пример: Решение задачи методом непосредственного применения законов Кирхгофа. Дано: Е1=30 В; Е2=20 В; Е3=15 В. R1=4 Ом; R2=2 Ом; R3=1 Ом; R4=10 Ом; R5=6 Ом; R6=3 Ом. Решение: 1-е правило – число узловых уравнений должно быть на единицу меньше числа узлов электрической цепи. 2-е правило – недостающие уравнения составляются по второму Кирхгофа; при этом нужно выбирать наиболее простые контуры (с меньшим числом источников ЭДС и сопротивлений) в таком порядке, чтобы в каждом новом контуре содержалась, по меньшей мере, одна ветвь, не входившая в контуры, для которых уже составлены уравнения. Решение 1.Составим уравнения по первому закону Кирхгофа, т.к. в схеме четыре узла, то можем составить (4-1)=3 уравнения. Узел «а» -I2 - I1 - I4 = 0 Узел «в» I2 + I6 - I5 = 0 Узел «с» I1 + I3 - I6 = 0 2. Составляем недостающие уравнения по второму закону Кирхгофа (для решения системы с 6-ю неизвестными необходимо 6 уравнений). Контур «aвda» : I2R2 + I5R5 – I4R4 = E2 Контур «adca» : I4R4 + I3R3 – I1R1 = E3 – E1 Контур «abR6ca» : I2R2 – I6R6 – I1R1 = E2 – E1 Подставив значения E и R, получим систему уравнений: - I2 – I1- I4 = 0 I2 + I6 – I5 = 0 I1 + I3 – I6 = 0 2I2 + 6I5 – 10I4 = 20 10I4 + I3 – 4I1 = 15 – 30 2I2 – 3I6 – 4I1 = 20 – 30 Далее решаем полученную систему уравнений любым возможным способом (можно на ЭВМ). Решив систему уравнений, получим: I1 = 1.18 A; I2 = - 0.1 A; I3 = 0.5 A; I4 = -1 A; I5 = 1.57 A; I6 = 1.68 A. Решение системы уравнений, для сложной цепи, требует значительной затраты времени, поэтому можно использовать более простые методы. Метод контурных токов. Ik1 (R2 + R5 + R4) – Ik2 R4 – Ik3 R5 = E2 Ik2 (R4 + R3 + R1) – Ik1 R4 – Ik3 R3 = E3 – E1 Ik3 (R6 + R3 + R5) – Ik1 R5 – Ik2 R3 = - E3 Подставив значения, получим систему уравнений: Ik1 (2 + 6 + 10) – Ik2 10 – Ik3 6 = 20 Ik2 (10 + 1 + 4) – Ik1 10 – Ik3 1 = 15 – 30 Ik3 (3 + 1+ 6) – Ik1 6 – Ik2 1 = - 15 18Ik1 – 10Ik2 – 6Ik3 = 20 15Ik2 – 10Ik1 – Ik3 = - 15 10Ik3 – 6Ik1 – Ik2 = -15 Решив систему уравнений, получим: Ik1 = - 0.1 A; Ik2 = - 1.18 A; Ik3 = - 1.68 A Чтобы проверить правильность расчета нужно составить баланс мощности, т.е. мощность источника должна быть равна мощности потребителя: Е1 I1 + E2 I2 + E3 I3 = I12 R1 + I22 R2 + I32 R3 + I42 R4 + I52 R5 + I62 R6 30 1.18 – 20 0.1 + 15 0.5 = 40.9 Вт 1,182 4 + 0,12 2 + 0,52 1 + 12 10 + 1,572 6 + 1,682 3 = 39,1 Вт (баланс сходится) Если ток и напряжение совпадают, то работает в режиме генератора. Мощность «+» Если ток и напряжение встречны, то работает в режиме потребителя. Мощность «-». Метод узлового напряжения (применим только в цепи, имеющей два и более узлов). Дано: Е1 = 100В; Е2 = 150В; Е3 = 200В. R1 = 1 Ом; R2 = 2 Ом; R3 = 10 Ом Напряжение между узлами А и В (угловое напряжение) обозначим UAB. Его необходимо найти. Оно находится по формуле: , где g – проводимость соответствующих ветвей Т.е. «узловое напряжение» равно отношению алгебраической суммы произведений ЭДС на проводимости соответствующих ветвей к сумме проводимостей всех ветвей к сумме проводимостей всех ветвей, причем если какая-либо ЭДС направлена от узла А к узлу В, то в формулу она подставляется со знаком «минус». Решение ; ; ; . Проверка: I1 + I2 + I3 + I4 = 32.4 + 41.2 - 66.9 – 6.7 = 0. Лекция №3 Переменный электрический ток. Переменным называется ток, изменение которого по величине и направлению повторяется периодически через равные промежутки времени Т. В области производства, передачи и распределения электрической энергии переменный ток имеет по сравнению с постоянным, два основных преимущества: 1) возможность (при помощи трансформаторов) просто и экономично повышать и понижать напряжение, это имеет решающее значение для передачи энергии на большие расстояния. 2) большую простоту устройств электродвигателей, а следовательно, и их меньшую стоимость. Значение переменной величины (тока, напряжения, ЭДС) в любой момент времени t называется мгновенным значением и обозначается строчными буквами (ток I, напряжение u, ЭДС – е). Наибольшее из мгновенных значений периодически изменяющихся токов, напряжений или ЭДС, называются максимальными или амплитудными значениями и обозначаются прописными буквами с индексом «м» (Iм, Uм). Наименьший промежуток времени, по прошествии которого мгновенные значения переменной величины (ток, напряжение, ЭДС) повторяется в той же последовательности, называется периодом Т, а совокупность изменений, происходящих в течение периода, - циклом. Величина обратная периоду называется частотой и обозначается буквой f. , т.е. частота – число периодов за 1 секунду. Единица частоты 1/сек – называется герц (Гц). Более крупные единицы частоты – килогерц (кГц) и мегагерц (МГц). Стандартная (техническая) 50 Гц Частота для промышленных установок Европе, Японии и Америки 60 Гц Получение переменного синусоидального тока. Переменные токи и напряжения в технике стремятся получить по простейшему периодическому закону – синусоидальному, т. к. синусоида – единственная периодическая функция, имеющая подобную себе производную, в результате чего во всех звеньях электрической цепи форма кривых напряжений и токов получается одинаковой, чем значительно упрощаются расчеты. Для получения токов промышленной частоты служат генераторы переменного тока в основе работы которых лежит закон электромагнитной индукции, согласно которому при движении замкнутого контура в магнитном поле в нем возникает ток. Схема простейшего генератора переменного тока Применение: Генераторы переменного тока большой мощности, рассчитанные на напряжения 3 – 15 кв, выполняются с неподвижной обмоткой на статоре машины и вращающимся электромагнитом-ротором. При такой конструкции легче надежно изолировать провода неподвижной обмотки и проще отвести ток во внешнюю цепь. Неподвижная часть электрической машины (генератора) – называется статором, подвижная – ротором. Одному обороту ротора двухполюсного генератора соответствует один период переменной ЭДС, наведенной на его обмотке. Если ротор делает n оборотов в минуту, то частота индуктированной ЭДС . Т.к. при этом угловая скорость генератора , то между ней и частотой, наведенной ЭДС существует соотношение . Фаза. Сдвиг фаз. Предположим, что генератор имеет на якоре два одинаковых винта, сдвинутых в пространстве. При вращении якоря в витках наводятся ЭДС одинаковой частоты и с одинаковыми амплитудами, т.к. витки вращаются с одинаковой скоростью в одном и том же магнитном поле. Но вследствие сдвига витков в пространстве ЭДС достигают амплитудных знамений неодновременно. Если в момент начала отсчета времени (t=0) виток 1 расположен относительно нейтральной плоскости под углом , а виток 2 под углом . То наведенная в первом витке ЭДС: , а во втором: В момент отсчета времени: Электрические углы и определяющие значения ЭДС в начальный момент времени, называется начальными фазами. Разность начальных фаз двух синусоидальных величин одной частоты называется углом сдвига фаз. Та величина, у которой нулевые значения (после которых она принимает положительные значения), или положительные амплитудные значения достигаются раньше, чем у другой, считается опережающей по фазе, а та у которой те же значения достигаются позже – отстающей по фазе. Если две синусоидальные величины одновременно достигают своих амплитудных и нулевых значений, то говорят, что величины совпадают по фазе . Если угол сдвига фаз синусоидальных величин равен 1800 , то говорят, что они изменяются в противофазе. Графическое изображениение синусоидальных величин. Векторная диаграмма. Синусоидальные величины можно графически изображать вращающимися векторами. Где и - начальная фаза (т.е. при t=0). Длина вектора в масштабе выражает амплитуду синусоиды; угол, образованный вектором с положительным направлением оси абсцисс, в начальный момент равен начальной фазе; скорость вращения вектора равна угловой частоте. Мгновенные значения синусоидальной величины выражаются вектора на ось ординат. Совокупность нескольких векторов, изображающих синусоидальные величины одинаковой частоты в начальный момент времени называется векторной диаграммой. При сравнении синусоидально изменяющихся величин начало отсчета времени можно выбрать произвольно, т.е. один из векторов можно направит произвольно, остальные векторы нужно располагать по отношению к первому под углами, равными соответствующим углам сдвига фаз, причем положительные углы откладываются в направлении, обратном движению часовой стрелки. Действующее значение переменного тока. Под действующим значением переменного тока понимают такое значение постоянного тока, которое проходя через тот же резистор выделяет одинаковое количество тепла, или которое совершает одинаковую работу за одно и тоже время. - действующее значение переменного тока. Действующее значение переменного тока меньше его амплитудного значения в раз. На шкалах измерительных приборов наносятся обычно действующие значения тока или напряжения. Среднее значение переменного тока и напряжения. Под средним значением понимается среднее значение синусоидальной величины за пол периода. Среднее значение синусоидального тока за полупериод равно величине такого постоянного тока, при котором в течение полупериода через поперечное сечение провода проходит то же количество электричества Q, что и при переменном токе. Среднее значение синусоидального тока за период равно нулю, т.к. в течение первой половины периода электричество проходит через поперечное сечение проводника в одном направлении, а в течение второй половины периода такое же количество электричества проходит в обратном направлении, следовательно, количество электричества, прошедшее через поперечное сечение проводника за период, и среднее за период значение тока, равны нулю. Неразветвленные цепи переменного тока. При рассмотрении процессов в цепях переменного тока необходимо учитывать не только преобразование электрической энергии в тепловую (R), но постоянные изменения электрического и магнитного поля, которые характеризуются емкостью C и индуктивностью L. Цепь переменного тока с резистивным элементом а) ток и напряжение. Напряжение на зажимах цепи , найдем силу тока , где - амплитуда тока. Т.е. ток и напряжение совпадают по фазе. Векторная диаграмма. . Разделим правую и левую части выражения на - закон Ома для действующих значений в цепи с резистивным элементом. б) Мгновенная мощность. Произведение мгновенного значения напряжения и мгновенного значения тока для произвольно выбранного момента времени называется мгновенной мощностью:. Подставив в формулу выражение тока и напряжения, получим: Т.е мгновенная мощность равна сумме двух величин: постоянной составляющей и переменной , имеющей амплитуду и изменяющейся с двойной частотой. в) активная мощность. Среднюю за период мощность называют активной, она характеризует среднюю скорость преобразования электрической энергии в тепловую, механическую или другие виды энергии. В цепи переменного тока активная мощность равна произведению действующего значения тока и напряжения. Переменный ток в цепи с индуктивным элементом. а) Ток и напряжение. В цепи с индуктивностью напряжение и ток изменяются синусоидально, но напряжение опережает ток. Напряжение в цепи с индуктивностью опережает ток на 900. ЭДС самоиндукции отстает от тока по фазе на 900, т.е. при увеличении тока ЭДС самоиндукции направлена навстречу току, а при уменьшении имеет одинаковое с ним направление. Закон Ома для действующих значений . Величина называется индуктивным сопротивлением . Величина индуктивного сопротивления увеличивается с ростом частоты. б) Мгновенная мощность. , т.е. мгновенная мощность изменяется синусоидально, но с двойной частотой (энергия в первую четверть периода накапливается в катушке, а во вторую четверть отдается в цепь). В цепи с индуктивностью происходит только периодический обмен энергией между генератором и магнитным полем цепи без преобразования электрической энергии в тепловую, механическую или другие виды энергии. Средняя мощность такой цепи равна нулю. в) Реактивная мощность . Переменный ток цепи с емкостью. а) Ток и напряжение. (т.к. или ) или Т.е. ток изменяется по синусоидальному закону и опережает по фазе напряжение на зажимах цепи на . Амплитуда его . Разделим правую и левую части выражения на получим: или - закон Ома для цепи с емкостью. Величина - называется емкостным сопротивлением , т.е. с уменьшением частоты емкостное сопротивление увеличивается. В случае f=0 (постоянное напряжение), ток через конденсатор не проходит. б) Мгновенная мощность. В первую четверть периода емкость накапливает энергию в виде электрического поля, а во вторую четверть отдает ее обратно в цепь. Цепь с емкостью активной мощностью не обладает. (Р=0). в) Ее характеризуют реактивной мощностью, которая характеризует величину обменной энергии между генератором и конденсатором. - реактивная мощность конденсатора. Цепь с последовательным соединением активного сопротивления индуктивности и емкости. Резонанс напряжений. i = IM sinWt u = uR + uL + uC Рассмотрим 3 случая: 1) UL > UC ; XL > XC 2) UL < UC : XL < XC 3) UL = UC : XL = XC 1 случай UL > UC ; XL > XC . ; ; Умножив каждую сторону на ток, получим треугольник мощностей. , Коэффициент мощности показывает, какую долю от полной мощности составляет активная мощность. Разделив каждую сторону треугольника напряжений на ток, получим треугольник сопротивлений. - полное сопротивление цепи , 2-й случай UL < UC , XL < XC Все остальное, в принципе то же самое. 3-й случай: UL = UC : XL = XC В последовательной цепи, состоящей из активного сопротивления, индуктивности и емкости, при равенстве реактивных сопротивлений XL и XC резонанс напряжений. Т.к. а , то при резонансе или - угловая скорость - частота Установлено, что в контуре без потерь, подключенном к источнику постоянного напряжения, возникает переменный ток с угловой частотой собственных колебаний Т.е резонанс наступает, если частота напряжения источника питания W совпадает с частотой собственных колебаний контура W0, при этом X=XL-XC=0 т.е реактивное сопротивление равно нулю. При резонансе сопротивление любого из реактивных участков цепи: Принято называть волновым сопротивлением. Величина - называется добротностью контура. Полное сопротивление цепи при резонансе напряжений: Равно активному сопротивлению цепи, и следовательно, наименьшее из всех возможных при изменении частоты f. Ток в цепи (действующее значение) при резонансе достигает максимума и совпадает с напряжением по фазе. При резонансе индуктивное напряжение и емкостное , сдвинутые по фазе на половину периода, равны по величине; Напряжение на зажимах цепи U равно активному напряжению . при zB > R напряжение UL и UC больше приложенного к зажимам цепи! Настройка цепи в зажим резонанса напряжений может быть выполнена следующим образом: 1) при неизменной индуктивности изменением емкости 2) при неизменной емкости изменением индуктивности 3) при неизменной емкости и индуктивности изменением частоты. Расчет разветвленной электрической цепи символическим методом. Дано: Разветвленная электрическая цепь имеет параметры: U=127B, R1 = 3 Ом; R2 = 4 Ом; R3 = 5 Ом XL1 =5 Ом; XL2 =2 Ом; XL3 =8, 66 Ом Xe1 = 1 Ом ; Xe1 = 70 Ом Цепь питается от генератора синусоидального напряжения частотой f = 50 Гц. Определить токи и напряжения ветвей, составить баланс мощностей и построить векторную диаграмму. РЕШЕНИЕ 1) Выражаем значения напряжения и сопротивлений цепи в комплексной форме: U= Z1= Z2= Z3= 2) Находим полное комплексное сопротивление всей цепи: Z = Z3 + Zak Zak = 3) Ток в неразветвленной части цепи 4) Токи в параллельных ветвях: 5) Напряжение на участках 6) Мощность цепи и отдельных участков Где , комплекс сопряженный I3. Два комплекса называются сопряженными, если они имеют одинаковые модули и равные по величине, но противоположные по знаку аргументы. если , то Активная мощность P равна 855, Вт Реактивная мощность Q равна 855, вар. 7) составляем баланс мощностей: 8)Строим векторную диаграмму. Резонанс токов. При параллельном соединении элементов колебательного контура (индуктивности и ёмкости) может иметь резонанс токов, для которого характерна возможность возникновения токов в индуктивной и ёмкостной ветвях, значительно превышающий ток, получаемый от источника. Закон Ома для параллельного соединения выражается формулой Общее условие резонанса токов – это равенство емкостной и индуктивной реактивных проводимостей В этом случае I = UG, т.е. при резонансе общий ток I принимает минимальное значение и совпадает по фазе с напряжением. В этих условиях источник переменного тока и провода, соединяющие его с колебательным контуром, совершенно разгружены от реактивного тока, который замыкается в кольце, образуемом индуктивностью и ёмкостью. Цепь ведет себя как бы е одним резистивным элементом. Мгновенные мощности индуктивной и емкостной ветвей также противоположны по фазе, т.е. когда энергия накапливается в магнитном поле индуктивности, она убывает в электрическом поле емкости. В такой системе энергия колеблется между индуктивностью и емкостью, а источник от этих колебаний разгружен, и он только дает энергию, нужную для покрытия потерь в активной ветви. если то S=P В случае резонанса токов Следовательно, резонанс токов можно использовать для повышения приемника. Для этого к приемнику с преобладающим индуктивным сопротивлением параллельно подключается конденсатор. Работать с меньшими токами и большим выгоднее. (В первую очередь для предприятий занимающихся передачей электрической энергии, т.к. в этом случае уменьшаются потери от нагрева проводов.) Лекция №4. Разветвлённые цепи переменного тока. Метод проводимостей. Для расчета разветвлённой цепи с большим числом ветвей можно использовать метод проводимостей, при котором ток в каждой ветви условно рассматривают состоящим из двух составляющих: активной и реактивной. Активная составляющая тока выбирается совпадающей по фазе с общим напряжением ветвей. Реактивная составляющая тока выбирается сдвинутой относительно напряжения на угол Дано: R1= 10м; R2=ЗОм XL1= 30 м; ХC2= 20 м; U=115В. Определить: 1) Токи параллельных ветвей I1 и I2 и общий ток I. 2) Углы сдвига фаз токов относительно напряжения сети. 3) Активную и реактивную мощность цепи. Решение: Активная проводимость первой ветви Реактивная проводимость первой ветви: Полная проводимость первой ветви Ток в первой ветви Активная проводимость второй ветви Реактивная проводимость второй ветви Полная проводимость второй ветви Ток во второй цепи Активная проводимость всей ветви Реактивная проводимость всей ветви Полная проводимость всей сети Ток в неразветвленной части цепи Активная мощность цепи Реактивная мощность цепи Лекция №5 Системы трехфазного переменного тока. Первая передача энергии на расстояние переменным током была осуществлена русским инженером М.О. Доливо-Добровольским в 1891 г. Это была передача с Лауффесного водопада (близ г. Гейдепьерга в Германии), где была установлена водяная турбина с трехфазным генератором и повышающим трансформатором, во Франкфурт-на-Майне, на электротехническую выставку, где был установлен понижающий трансформатор, питавший трехфазный электродвигатель. В этой установке и трехфазные трансформаторы, и электродвигатель, и сама трехфазная система составляли изобретение Доливо-Добровольского. Здесь на расстоянии 175 км передавалась мощность 200 л.c. при линейном напряжении 15000В и частоте 30-40 Гц. Коэффициент полезного действия составил 75%. За 9 лет до этого Депре производил опыт передачи энергии постоянным током из Мисбаха в Мюнхен на расстояние 57 км при напряжении 2000В. КПД составлял всего 22%. В настоящее время трехфазная система применяется во всем мире для передачи и распределения электрической энергии. Она обеспечивает наиболее экономичную передачу энергии и позволяет создать надежные в работе и простые по устройству электродвигатели, генераторы и трансформаторы. Трехфазной системой Э.Д.С. называется система трех переменных Э.Д.С. одинаковой частоты, сдвинутых друг относительно друга по фазе, так, что сумма трех фазных углов равна 2П. Если амплитуда Э.Д.С. трех обмоток генератора равны друг другу, а сдвиг фаз между двумя любыми смежными Э.Д.С. равен 120°, то трехфазная система называется симметричной. Простейший генератор трехфазного тока по конструкции аналогичен генератору однофазного тока, только его якорь имеет не одну, а три отмотки AX,BY,CZ, сдвинутые в пространстве друг относительно друга на угол 120°. При вращении якоря в этих обмотках наводятся Э.Д.С. одинаковой частоты, но имеющие разные фазы. Замечание: Отдельные обмотки трехфазного генератора также называют фазами (фаза A, фаза B, фаза C). Это понятие не следует путать с фазой синусоидально изменяющейся величины, т.е. с её фазным углом. При символической записи фазных напряжений действительную ось приятно совмещать с напряжением (Э.Д.С.) Фаза А. Тогда Еа=; Ев=; Ес=. Простейший генератор трехфазного тока. Один из зажимов каждой обмотки генератора называют началом фазы и обозначают соответственно буквами A,B,C. Другой зажим каждой обмотки называют концом фазы и обозначают соответственно буквами X,Y,Z. Каждая обмотка трехфазного генератора может служить самостоятельным источником электрической энергии и быть соединена с отдельным приемником энергии. Один из зажимов каждой обмотки генератора называют началом фазы и обозначают соответственно буквами А, В, С. Другой зажим каждой обмотки называют концом фазы и обозначают соответственно буквами X, Y, Z. Каждая обмотка трехфазного генератора может служить самостоятельным источником электрической энергии и быть соединена с отдельным приемником энергии. В этом случае получается несвязанная трехфазная система из трех отдельных электрических цепей. В несвязанной системе для передачи энергии необходимы шесть проводов. На практике такая система не применяется. Число проводов может быть уменьшено, если вместо трех отдельных обратных проводов применить один общий провод, присоединив к нему концы всех фаз генератора и приемников (условимся, что в фазах приемников положительный ток направлен от начала фазы к ее концу). В работе приемников при этом ничего не изменится. В этом случае получится четырехпроводная связанная трехфазная система, соединенная звездой. Общая точка, в которой объединяются концы фаз генератора (или приемника), называется его нулевой точкой или нейтралью, а соединяющий нулевые точки генератора и приемника общий обратный провод – нулевым или нейтральным проводом. Ток в этом проводе по первому закону Кирхгофа I0=Ia+Ib+ Ic При равномерной нагрузке фаз, когда Ia+Ib+ Ic=0, тока в нулевом проводе не будет (отсюда название «нулевой»провод), и нулевой провод является излишним. Сняв нулевой провод, получим трехпроводную цепь трехфазного тока, соединенную звездой. Такая цепь может нормально работать лишь в том случае, если обеспечено равномерное распределение нагрузки между фазами. В противном случае напряжения фаз приемника перестанут быть одинаковыми и равными фазами напряжению генератора. Напряжения между линейными проводами принято называть линейными и обозначать UAB, UBC,UCA. Напряжения между линейными и нейтральным проводом называют фазными напряжениями и обозначают UA ,UB, UС. Вариант 5 Задача 3. Для электрической цепи, по заданным параметрам и линейному напряжению, определить фазные и линейные токи, ток в нейтральном проводе (для четырехпроводной схемы), активную мощность всей цепи и каждой фазы отдельно. Построить векторную диаграмму токов и напряжений на комплексной плоскости. Дано: UA=380B, Rа=8 Ом, Rв=4 Ом, Rс=6 Ом Xа=4 Ом, Хв=3 Ом, Хс=8 Ом Решение: Считаем, что вектор фазного напряжения Ua направлен по действительной оси 1) Напряжения фаз 2) Сопротивление фаз 3) Токи в фазах 4) Ток в нейтральном проводе 5) Определяем активную мощность фаз и цепи Вт Вт Вт Вт По данным строим векторную диаграмму mi=10 A/см m0=40 B/см Лекция №6 Электромагнетизм. Магнитное поле электрического поля. Магнитное поле, как и электрическое поле, является общим из видов материи. Оно возникает, например, при движении электрически заряженных частиц вещества и вокруг проводников с током. Магнитное поле обладает энергией, которая называется энергией магнитного поля. Поэтому, если в магнитное поле, окружающее провод с электрическим током, внести другой провод с током, то последний испытывает действие силы магнитного поля. В свою очередь, магнитное поле второго провода с током действует на первый. Под действием сил поля провод с током может перемещаться; в этом случае производится работа за счет энергии магнитного поля. Электрический ток в проводе и магнитное поле вокруг него – неразрывно связанные явления. Магнитная индукция. Интенсивность магнитного поля в каждой его точке характеризуется магнитной индукцией (обозначается буквой В). Закон Био и Савара – Лапласа. Т.е. индукция dB прямо пропорциональна длине элемента dl, величине тока I, синусу угла между направлением тока и радиусом – вектором, соединяющим данный элемент с точкой поля, и обратно пропорциональна квадрату длины радиуса – вектора. Магнитная индукция по системе СИ измеряется в теслах Магнитная индукция – векторная величина. Вектор dB направлен перпендикулярно плоскости S, в которой расположены радиус – вектор r и элемент dl. Направление вектора dB определяется по правилу Буравчика. Магнитное поле, в различных точках которого индукция имеет различные значения, называется неоднородным, и наоборот, магнитное поле называется однородным, если во всех точках поля векторы магнитной индукции имеют одинаковую величину и направлены друг к другу. Магнитная проницаемость. Для того, чтобы получить представление о магнитных свойствах среды, нужно сравнить магнитное поле вокруг повода с током в данной среде с магнитным полем вокруг того же провода, но находящегося в вакууме. Материалы или среды, в которых поле получается сильнее, чем в вакууме, называется – парамагнитными, а в которых слабее – диамагнитными. Магнитные свойства среды характеризует абсолютная магнитная проницаемость , имеющая различную величину для разных веществ. Абсолютная магнитная проницаемость вакуума называется магнитной постоянной . Отношение абсолютной магнитной проницаемости какого – либо вещества к магнитной постоянной называется магнитной проницаемостью вещества. Для диамагнитных веществ <1 (медь ), для парамагнитных >1 (воздух ). Особую группу составляют так называемые ферромагнитные материалы. Магнитная проницаемость этих материалов может достигать десятки тысяч (железо, кобальт). Линии магнитной индукции. Применяются для изображения магнитного поля. Линии магнитной индукции проводят так, чтобы вектор магнитной индукции в каждой точке был направлен по касательной к линии в этой точке. Магнитное поле витка с током Магнитный поток Магнитный поток (Ф) через площадку, перпендикулярную вектору магнитной индукции, в однородном поле равен произведению магнитной индукции на величину площади. Более мелкой единицей измерения магнитного потока является максвелл (мкс) Напряженность магнитного поля. Напряженность магнитного поля (Н) в однородной среде не зависит от магнитных свойств вещества, в котором создается поле, но учитывает влияние величины тока и формы проводников на интенсивность магнитного поля в данной точке. Напряженность магнитного поля – векторная величина. Напряженность поля необходимо знать при расчете магнитных цепей электрических машин. Магнитный момент. Намагниченность. В каждом атоме электроны движутся вокруг центрального ядра, т.е. возникает элементарный электрический ток. Векторная величина, равная произведению тока i и элементарной площади S, ограниченной элементарным контуром с током, и направленная перпендикулярно к этой площадке согласно правилу Буравчика, называется магнитным моментом элементарного электрического тока. Геометрическая сумма магнитных моментов всех элементарных электрических токов в теле, дает магнитный момент тела М, т.е. М=m1+m2+m3+… величина, измеряемая отношением магнитного момента тела к его объему (V), называется намагниченностью тела Y. Вихревые токи. Магнит не оказывает почти никакого действия на кусок меди, если последний неподвижен. Однако, если магнит и медь движутся друг относительно друга или если магнитное поле в меди возрастает или убывает со временем, то возникает взаимодействие. Изменяющееся магнитное поле или движение проводника через поле приводит к возникновению ЭДС, создающей ток. Индукционные токи взаимодействуют с магнитным полем, в результате чего на проводник действует сила. Часто эти токи закручиваются в проводнике вдоль передней и задней границ области движущегося магнитного поля. Из-за их сходства с водоворотными, возникающими вокруг движущегося в воде тела, эти индукционные токи называют вихревыми токами. В некоторых электрических машинах они только мешают, вызывая нагрев стали и тем самым снижая КПД, в других они положены в основу принципа действия этих машин. Для уменьшения вихревых токов применяются сердечники, выполненные из отдельных изолированных друг от друга листов, стали. В этом случае увеличивается сопротивление сердечника для вихревых токов и сами токи уменьшаются. Уменьшение площади контуров, охватываемых вихревыми токами, приводит к уменьшению вихревых токов. Намагничивание ферромагнитных материалов В практической электротехнике ферромагнитные материалы >>1 имеют очень важное значение. Стальные сердечники имеют промышленные электрические машины (генераторы, двигатели), электромагниты, трансформаторы, реле, многие измерительные приборы и другие устройства. Такие сердечники применяются во всех случаях, когда необходимо при относительно небольших токах получить сильное магнитное поле. Если в магнитное поле внести ферромагнитный материал, то магнитная индукция поля значительно возрастает. Принято говорить, что в этом случае ферромагнитный материал «намагничивается». Сущность процесса заключается в следующем: при отсутствии внешнего магнитного поля в ферромагнитном теле элементарные магнитные моменты направлены самым различным образом и компенсируют друг друга, т.е. суммарный магнитный момент тела равен нулю. Под действием внешнего магнитного поля, создаваемого, например, током в катушке, намотанной на стальной сердечник, изменяются направления элементарных магнитных моментов и при усилении внешнего поля, увеличивается магнитный момент всего тела. Таким образом, появляется добавочное магнитное поле, которое складывается с внешним и усиливает его. H – напряженность внешнего магнитного поля В – магнитная индукция в ферромагнитном материале В0 – магнитная индукция в неферромагнитном материале J – намагниченность ферромагнитного материала Jнас – предельная намагниченность среды В(Н) – кривая намагничивания Намагниченность J ферромагнитного материала не может возрастать безгранично. Если направление полей самопроизвольно намагничивается во всех областях, окажется совпадающим с направлением внешнего магнитного поля, намагниченность среды достигнет своего предельного значения Jнас. Каждый ферромагнитный материал имеет характерную кривую намагничивания. Циклическое перемагничивание Магнитное состояние ферромагнита, подвергающегося переменному намагничиванию, характеризуется гистерезисным циклом. Магнитный гистерезис характеризуется тем, что процесс намагничивания и размагничивания ферромагнита происходит неодинаково. При изменении намагничивающего поля величина магнитной поляризации материала зависит не только от существующей в данный момент напряженности намагничивающего поля, но и от ее предшествующих значений. В частности, когда напряженность намагничивающего поля уменьшается от Н1 до нуля, то магнитная индукция В не снижается до нуля, а будет иметь значение В0. магнитная индукция доходит до нуля только под действием направленного в противоположную сторону поля с напряженностью Н0. То же наблюдается и при изменении напряженности поля в обратном направлении (от – Н0 до Н1). Таким образом, зависимость В от Н при перемагничивании имеет форму петли, называемой петлей гистерезиса. В результате гистерезиса часть энергии, затраченной на намагничивание тела, при размагничивании не возвращается обратно, а превращается в тепло. Поэтому многократное перемагничивание материала при наличии гистерезиса связано с заметным нагревом намагничиваемого тела. Поэтому для магнитных целей с переменным магнитным потоком применяют материалы с меньшим гистерезисом (т.н. магнитно-мягкие материалы). И напротив, для создания постоянных магнитов используют материалы с большим гистерезисом (магнитно-жесткие). Например, кобальтовая сталь, сплав-Альни и др. Магнитная цепь Магнитной цепью называется устройство, в котором замыкается магнитный поток. Неразветвленная Разветвленная магнитная магнитная цепь цепь При расчетах магнитных цепей обычно используются правилом Кирхгофа для магнитной цепи: Алгебраическая сумма магнитных потоков в точке разветвления равна нулю Для создания большого потока нужно магнитную цепь выполнять с наименьшим магнитным сопротивлением, поэтому во всех электрических машинах магнитная цепь выполняется таким образом, чтобы поток замыкался главным образом по стали, а воздушные зазоры были достаточно малыми. Электромагнитная сила На провод с током, помещенным в магнитное поле, действует сила, получившая название электромагнитной силы. Величина этой силы определяется по уравнению: (для прямолинейного провода) (для провода произвольной формы) где l – длина проводника В – магнитная индукция I – сила тока - угол между направлением тока и направлением магнитных линий Для определения направления силы, с которой поле действует на провод, пользуются правилом «левой руки»: Если ладонь левой руки повернуть так, чтобы вектор магнитной индукции входил в нее, а четыре вытянутых пальца совпадали с направлением тока в проводе, то отогнутый большой палец укажет направление силы, действующей на провод. Правило левой руки Электромагнитная индукция В проводе, который, двигаясь в магнитном поле, пересекает магнитные линии, возбуждается ЭДС (М. Фарадей, 1831 г.). ЭДС электромагнитной индукции пропорционально магнитной индукции поля, длине провода и скорости его движения: Направление ЭДС в этом случае определяют по правилу «правой руки»: Ладонь правой руки располагается так, чтобы магнитные линии входили в нее, отставленный большой палец направляется вдоль вектора скорости, тогда остальные четыре пальца покажут направление индуктированной ЭДС. Если концы провода, перемещающегося в магнитном поле, замкнуты другим проводом, расположенным вне магнитного поля, то в этой электрической цепи под действием ЭДС электромагнитной индукции возникает непрерывное перемещение электронов, т.е. электрический ток. Преобразование механической энергии в электрическую При движении замкнутого проводника в магнитном поле под действием внешних сил происходит преобразование механической энергии в электрическую. Электромагнитная сила, действующая на провод с током . Т.к. сила F направлена противоположно вектору скорости, то для движения провода нужно приложить внешнюю силу. Двигатель, создающий внешнюю силу, должен развить механическую мощность: Подставив выражения силы F, получим: Т.е. развиваемая двигателем мощность равна мощности электрического тока в замкнутой цепи. Преобразование электрической энергии в механическую В результате действия магнитного поля на провод с током происходит преобразование электрической энергии в механическую. Пусть по прямолинейному проводу, расположенному в однородном магнитном поле и включенном в цепь с ЭДС Е, проходит не изменяющийся ток. Тогда магнитное поле действует на провод с током с силой и провод движется под действием силы со скоростью v (направление силы и скорости определяется по правилу «левой руки»). При движении провода в нем возникает ЭДС электромагнитной индукции, направленная навстречу тока, По второму правилу Кирхгофа для контура: где – сопротивление прямолинейного провода, – сопротивление остальной части цепи. Машины постоянного тока. Основное достоинство двигателей постоянного тока заключается в возможности плавного регулирования частоты вращения и получения и получения больших пусковых моментов. Поэтому двигатели постоянного тока широко используются для привода электрического транспорта и различного технологического оборудования. Общим недостатком электрических машин постоянного тока является их конструктивная сложность, связанная главным образом со щеточно - коллекторным аппаратом. Кроме того, в коллекторно-щеточном аппарате возникает искрение, что снижает надёжность машины и ограничивает область их применения. Устройство машины постоянного тока. Машина постоянного тока в основном состоит из неподвижной части, служащей для возбуждения главного машинного поля, и вращающейся части, в которой индуктируется Э.Д.С.. Токи от этой Э.Д.С. взаимодействуют с главным магнитным полем, создают тормозной момент в генераторном режиме и вращающий момент в двигательном. Неподвижная часть состоит из станины, на которой укрепляются главные полюсы для возбуждения главного магнитного потока и дополнительные для улучшения коммутации в машине. Рисунок Станина замыкает магнитную цепь главного потока Ф. Якорь является вращающейся частью машины, в его позах размещается обмотка, соединённая проводниками с укреплённым на валу якоря коллектора. Пластины коллектора изолируются друг от друга и от корпуса машины. К коллектору прижимаются неподвижные угольные или медные щетки установленные в щеткодержателе. Рис. Назначение коллектора. Коммутация. При вращении якоря необходимо переключать обмотку якоря с тем, чтобы магнитное поле якоря оставалось неизменным по отношению к магнитным полюсам машины. Данный процесс носит название коммутации. Классификация машин постоянного тока по способу возбуждения главного магнитного поля. Рабочие характеристики машин постоянного тока зависят от способа включения цепи возбуждения по отношению к цепи якоря: 1) Машины параллельного возбуждения У этих машин цепь обмотки возбуждения соединяется параллельно с цепью якоря. В этом случае ток возбуждения Iв во много раз меньше тока якоря (0,05-0,01), а напряжение U между выводами цепей якоря и возбуждения одно и тоже. Следовательно, сопротивление обмотки возбуждения (r= ) должно быть относительно велико. Поэтому обмотку возбуждения изготавливают из тонкого провода и с большим числом витков. Благодаря этому она обладает значительным сопротивлением. Характерная особенность – постоянство главного магнитного потока, и его небольшая зависимость от условий нагрузки машины. 2) Машины последовательного возбуждения. пос. Следовательно, сопротивление обмотки последовательного возбуждения rотносительно мало. Для этих машин характерны изменение в широких пределах главного магнитного потока при изменениях нагрузки машины вследствие изменений тока якоря, который одновременно является и током возбуждения. 3) Машины независимого возбуждения. нагрузки машины. 4) Машины смешанного возбуждения. Зависимость вращающего момента на валу электродвигателя постоянного тока от силы тока в обмотке якоря. Механическая характеристика электродвигателя постоянного тока. Регулирование частоты вращения двигателей. Двигатель последовательного возбуждения может выдерживать сильные перегрузки, умеренно увеличивая при этом потребление тока. При уменьшении нагрузки на валу он медленно изменяет потребление тока, зато быстро повышает скорость и при нагрузках меньше 25% от номинальной, скорость становиться опасной для механической целостности двигателя (т.е. двигатель идёт в «разнос»). Лекция №7 Электроника В настоящие время в технике используется в основном полупроводниковые электронные приборы (диоды, стабилитроны, полевые и биполярные транзисторы, тиристоры, варикапы и т.д). Полупроводники – это тела, занимающие среднее положение между металлическими проводниками и диэлектриками, как по величине удельного сопротивления, так и по характеру действия ионов тела на электроны, движение которых создает электрический ток. В полупроводниках (кремний Si, германий Ge) электроны связаны с ионами тела сильнее, чем в металлах, но все же гораздо слабее, чем в диэлектриках. Поэтому тепловое движение нарушает связь части электронов с ионами и эти электроны становятся «свободными», т.е. под действием электрического поля могут создавать ток. Чем выше температура, тем больше число электронов участвует в образовании электрического тока. Поэтому удельное сопротивление полупроводника уменьшается с ростом температуры. Т.е. переноносенными в полупроводниках, как и в металлах могут являться электроны, но процесс переноса может быть и иным чем в металлах. Т.е наряду с электронной может наблюдаться и так называемая «дырочная проводимость». Преобладание того или другого типа проводимости зависит от наличия в полупроводнике тех или иных примесей. (Сурьма Sb, фосфор Р, галий Ga, индий In). Если атомы примеси способны захватывать электроны полупроводника, то в полупроводнике образуются «дырки», т.е. состояния, которые могут быть заняты электронами. Но свободные электроны при этом не появляются, т.к. атомы примеси, а вместе с ними и захваченные электроны неподвижны. В этом случае электрический ток создается перемещением «дырок». И наоборот, если атомы примеси легко отдают свои электроны, то в полупроводнике появляются свободные электроны без образования «дырок» и эти электроны создают электрический ток. Полупроводники, проводимость которых обусловлена наличием дырок, называют полупроводниками р типа (позитив положительный),а проводимость которых обусловлена свободными электронами называют полупроводниками n типа (негатив - отрицательный). Принцип работы большинства полупроводниковых приборов основан на специфических явлениях, возникающих на границе раздела между полупроводниками n и р типов. Так как разности потенциалов свободных «дырок» и свободных электронов разные, то по обе стороны от границы раздела полупроводников собираются свободные электроны и свободные дырки. При подключении к этим полупроводниках источника питания, ток будет протекать только в одном направлении, а ток в обратном направлении будет практически равен нулю. Полупроводниковые диоды. Одним из самых распространенных видов полупроводниковых приборов являются полупроводниковые диоды – прибор с одним р – n переходом и двумя выводами. В полупроводниковых диодах используется свойство р – n перехода. Хорошо проводить ток в одном направлении и плохо пропускать его в обратном. Эти токи и соответствующие им напряжения между выводами полупроводникового диода называются прямыми и обратными, токами и напряжениями. Для полупроводникового диода задают вольт-амперную характеристику. Вид вольт- амперной характеристики зависит от способа получения р – n перехода, концентрации свободных дырок и электронов, конструкции и т.д. На рисунке изображена ВАХ германиевого диода и нарисовано условное изображение полупроводникового диода. Прямой ток в полупроводниковом диоде направлен от одного вывода к другому, которые соответственно называются анодным и катодным выводами. В качестве параметров, характеризующих нагрузочную способность полупроводникового диода, указывают: - допустимый прямой ток Iпр. - прямое напряжение Uпр. - обратный ток Iобр. - обратное напряжение Uобр. -допустимая температура окружающей среды (до 50о С для германиевых и до 140о С для кремниевых диодов). По типу конструкции перехода различают точечные и плоскостные полупроводниковые диоды. Точечный диод – прибор, в котором все размеры электрического перехода меньше размеров областей, окружающих его и определяющих физические процессы в переходе. Такой переход возникает, например, при вплавлении кончика металлической иглы в полупроводниковую пластину с одновременной присадкой лигирующего вещества. Из-за малой площади перехода, точечный диод относится к маломощным приборам и применяется главным образом в аппаратуре сверхвысокой частоты. Плоскостный диод – прибор, в котором p-n переход возникает на значительной по площади границе между полупроводниками p- и n- типов. В таких диодах переход получают путем сплавления пластин. Так как площадь p-n перехода большая, допустимая мощность рассеяния диодов малой мощности достигает 1 Вт, при прямом токе 1 А. такие плоскостные диоды часто применяют в цепях автоматики и приборостроения. У плоскостных приборов большой мощности, допустимая мощность рассеяния достигает 10 кВт при прямом токе до 1000 А и Uобр до 1500 В. Они применяются в основном в выпрямителях. Так же большое применение нашли полупроводниковые стабилитроны, которые применяются для стабилизации напряжения в электрических цепях. В этих диодах используется явление неразрушающего электрического пробоя p-n перехода при определенных значениях обратного напряжения. Транзисторы Транзисторы – полупроводниковые приборы, служащие для усиления мощности электрических сигналов. По принципу действия транзисторы делятся на биполярные и полевые. Биполярный транзистор – это трехслойная структура, в которой слой полупроводника одного типа находится между двумя слоями полупроводника другого типа. Принцип работы транзисторов p-n-p типа и n-p-n типа одинаков, различия заключаются лишь в полярности внешних источников напряжений и в направлении протекания токов через электроды. Транзистор называется биполярным потому, что физические процессы в нем связаны с движением носителей зарядов обоих знаков, то есть свободных дырок и электронов. Средний слой транзистора называется базой, один крайний слой – коллектором, а другой крайний слой – эмиттером. Каждый слой имеет свой вывод, с помощью которого транзистор подключается в цепь. Исходными элементами простейшей схемы транзистора являются источник электроэнергии Ек, включенный в цепь коллектора, и батарея смещения Еэ обеспечивающая положительный потенциал эмиттера по отношению к базе. По отношению к переходу p-n у эмиттера батарея Еэ включена в прямом (проводящем) направлении. По отношению к переходу p-n у коллектора батарея Ек включена в обратном (непроводящем) направлении. Пока цепь эмиттера выключена, в цепи коллектора ток очень мал, так как обратное сопротивление перехода p-n весьма велико. Для создания тока в цепи эмиттера достаточно небольшой э.д.с., так как переход p-n в этой цепи имеет малое прямое сопротивление. Включение тока эмиттера вызывает сильное изменение сопротивления перехода в цепи коллектора и в ней возникает значительный ток Iк. изменения тока эмиттера вызывают пропорциональные изменения тока коллектора Iк. таким образом, ток Iэ в цепи эмиттера, обладающий малым сопротивлением, управляет током в цепи коллектора, обладающей большим сопротивлением. Так как Ек>>Еэ, то при одинаковом порядке изменения тока имеет место значительно большее изменение мощности в цепи коллектора: в нем и заключается усиление по мощности. Схемы включения транзистора Транзистор может быть включен в схему тремя способами, в зависимости от того какой электрод транзистора является общим: -включение с общей базой; -включение с общим эмиттером; -включение с общим коллектором. Однако физические процессы, происходящие в транзисторе0, не зависят от выбранного общего электрода. Включение с общей базой Включение с общим эмиттером Эта схема включения транзистора применяется наиболее часто и позволяет получить наибольшее усиление по мощности и по току. Включение с общим коллектором При таком включении управляющим током, так же как и в схеме с общим эмиттером, является ток базы, но выходным током является ток эмиттера. Лекция №8. Трансформаторы 1.Общие сведения о трансформаторах Трансформатор для технических целей впервые был применен П.Н. Яблочковым в 1876 году для питания электрических свечей. Широкое применение трансформаторы получили после того, как М.О. Доливо-Добровольским была предложена трехфазная система передачи электроэнергии и разработана конструкция первого трехфазного трансформатора (1891г.) Под трансформатором понимают статическое (т.е. без движущихся частей) электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой величины, но той же частоты. Трансформатор состоит из двух и более обмоток, электрически изолированных друг от друга и охваченных общим магнитным потоком. Для усиления индуктивной связи между обмотками они размещаются на магнитопроводе. Для уменьшения вихревых токов магнитопроводы собирают из листовой электротехнической стали. Обмотка трансформатора, соединенная с источником питания, называется первичной. Все величины, относящиеся к этой обмотке: число витков, напряжение, ток и т.д. - также именуются первичными. Их буквенные обозначения снабжаются индексом 1, например . Обмотка, к которой подключается нагрузка (потребитель электроэнергии), и относящиеся к ней величины называются вторичными. Они снабжаются индексом 2. Различают однофазные (для цепей однофазного тока) и трехфазные (для трехфазных цепей) трансформаторы. У трехфазного трансформатора первичной или вторичной обмоткой принято называть соответственно совокупность трех фазных обмоток одного напряжения. Основные условные графические обозначения однофазного (а, б, в) и трехфазного (г, д, е) трансформаторов показаны на рис. 13.1. На паспортном щитке трансформатора указывается его номинальное напряжение - высшее и низшее, в соответствии с чем следует различать обмотку высшего напряжения (ВН) и обмотку низшего напряжения (НН) трансформатора. Кроме того, на щитке указывается номинальная полная мощность (ВА или кВА), токи (А) при номинальной полной мощности, частота, число фаз, схема соединения, режим работы (длительный или кратковременный) и способ охлаждения (воздушный или масляный). Если первичное напряжение U1 трансформатора меньше вторичного U2, то он работает как повышающий трансформатор; в противном случае (U1 U2) - как понижающий. 2.Принцип работы однофазных трансформаторов Принцип работы однофазных трансформаторов рассмотрим по схеме рис.13.2. При подключении источника напряжения в первичной обмотке трансформатора, возникает ток . Далее будем пользоваться действующими значениями используемых физических величин. Ток приводит к появлению магнитодвижущей силы первичной обмотки . (13.1) Магнитодвижущая сила возбуждает в магнитопроводе магнитный поток причем . (13.2) Магнитный поток индуцирует в первичной обмотке трансформатора ЭДС самоиндукции , а во вторичной обмотке - ЭДС взаимной индукции . Замкнем цепь вторичной обмотки. Под воздействием ЭДС взаимной индукции через нагрузку Z2 потечет ток I2 , возникает магнитодвижущая сила F2, и магнитный поток Ф2 , причем . (13.3) Для указанных на рис.10.2 направлений намотки обмоток трансформатора и выбранных положительных направлений токов I1 и I2 магнитные потоки Ф1 и Ф2 встречны. Поэтому в магнитопроводе создается результирующий магнитный поток (13.4) Рис. 10.2 . Этот поток пересекает витки обоих обмоток трансформатора и наводит в них результирующие ЭДС е1 и е2 . Помимо основного магнитного потока Ф (по 13.4), в реальном трансформаторе существуют потоки рассеяния первичной и вторичной обмоток. Для количественной оценки потоков и вводят понятие эквивалентной индуктивности рассеяния так, что ; . Кроме того, обмотки реального трансформатора обладают активными сопротивлениями R1 и R2. Чтобы учесть перечисленные величины при анализе работы трансформатора, переходят к его схеме замещения (рис.13.3). Часть схемы, выделенная на рис. 13.3 пунктиром, не имеет активных сопротивлений и потоков рассеяния, а поэтому называется идеализированным трансформатором. К нему применимы все соотношения, полученные в лекции №10. Но для получения простых и наглядных соотношений параметров трансформатора необходимо преодолеть еще одну трудность. Дело в том, что трансформатор в расчетном эквиваленте представляет собой нелинейную цепь. Значит, к его анализу, необходимо применять теорию нелинейной алгебры. Чтобы уйти от этого, гистерезисную зависимость заменяют эквивалентным эллипсом (рис.13.4), построенным так, что его площадь не менее чем на 95% перекрывает площадь петли гистерезиса. Рис. 13.3 Рис. 13.4 Если теперь зависимости , ; выражать через параметры эллипса, то возникающие за счет отклонения от петли гистерезиса погрешности оказываются пренебрежимо малыми для практических целей. Главное в том, что применение эквивалентного эллипса позволяет перейти к простым линейным выражениям в представлении величин В(t) и Н(t): ; (13.5) , (13.6) где - сдвиг фазы между Н и В. От выражений (13.5) и (13.6) легко перейти к комплексной показательной форме представления, т.е. ; , (13.7) Учитывая соотношения (10.14) и (10.15), связь между напряжением и магнитной индукцией представим в виде: , а связь между током и напряженностью магнитного поля выражением: . (13.8) Теперь можно перейти к оценке основных параметров трансформатора. Учитывая (10.14) и (10.15) определяем напряжение на первичной и вторичной обмотках трансформатора: , (13.9) . (13.10) Эти напряжения полностью уравновешиваются ЭДС первичной и вторичной обмоток: , (13.11) . (13.12) Отношение (13.10) к (13.9): (13.13) называется коэффициентом трансформации. Подставим в выражение для значение Ф из (10.4): . (13.14) Если разомкнуть цепь вторичной обмотки, то ее ток I2 станет равным нулю. При этом в цепи первичной обмотки будет протекать ток холостого хода, т.е. I1 = I1x , а выражение (13.14) примет вид . (13.15) Но - это напряжение источника. Оно не зависит от режима работы трансформатора. Значит левые части равенств (13.14) и (13.15) равны. Отсюда следует, что равны и правые части. Приравнивая их, определим ток холостого хода трансформатора. . (13.16) Последнее выражение показывает, что ток холостого хода равен разности токов первичной и вторичной обмоток, причем ток вторичной обмотки пересчитан к виткам первичной обмотки. Ток холостого хода мал и у мощных трансформаторов составляет единицы процентов от номинального значения. Произведение называют приведенным током вторичной обмотки. Кроме для оценки качеств трансформатора пользуются приведенным сопротивлением нагрузки и приведенным напряжением вторичной обмотки . Определим их значения. Для этого выразим магнитный поток Ф из (13.10) . (13.17) Подставим (13.17) в (13.9): . Домножим и разделим последнее выражение на коэффициент . Перегруппировав множители, получим: . (13.18) В (13.18) - приведенный ток, а - приведенное, т.е. пересчитанное к виткам первичной обмотки, сопротивление нагрузки. Произведение (13.19) называется приведенным напряжением вторичной обмотки. Очевидно, что . (13.20) С учетом введенных понятий выражение (13.16) для тока холостого хода принимает вид: . (13.21) В выражении (13.15) множитель определяет индуктивность первичной обмотки. Поэтому можно записать: , что полностью соответствует закону Ома для цепи с индуктивностью. Для завершения анализа принципа работы построим векторную диаграмму идеализированного трансформатора (рис.13.5). На диаграмме в качестве исходного принимаем вектор магнитного потока . Векторы ЭДС отстают от на 900. Это очевидно из (13.11) и (13.12) по наличию множителя (-j). Векторы равны по величине и соответственно, но Рис. 13.5 Рис. 13.6 противоположны им по направлению. Вектор тока холостого хода опережает вектор на угол . Это хорошо видно из (10.8) т.к. . Вектор тока вторичной обмотки трансформатора сдвинут относительно вектора на угол 2, что определяется характером нагрузки . Значение вектора легко найти по (13.21). , что и выполнено на диаграмме. Для перехода к реальному трансформатору обратимся к рис. 13.3. Схема рис. 13.3 содержит два электрически не связанных замкнутых контура - цепь первичной и цепь вторичной обмоток. Для каждой из них справедлив второй закон Кирхгофа. Поэтому для цепи первичной обмотки трансформатора справедливо равенство . (13.22) Равенство (13.21) показывает, что напряжение источника уравновешивается падением напряжения на комплексном сопротивлении первичной обмотки и наводящейся в ней ЭДС самоиндукции . Эпюры напряжений, соответствующие (13.22) приведены на рис. 13.6. Для цепи вторичной обмотки трансформатора можно записать равенство . (13.23) Эпюры напряжения, соответствующие (13.23) приведены на рис. 13.6. Режимы работы трансформаторов Различают несколько режимов работы трансформаторов: 1. Номинальный режим, т.е. режим при номинальных значениях напряжения и тока первичной обработки трансформатора . 2. Рабочий режим, при котором напряжение первичной обмотки близко к номинальному или равно ему, а ток определяется нагрузкой трансформатора. 3. Режим холостого хода, т.е. режим ненагруженного трансформатора, при котором цепь вторичной обмотки разомкнута ( или подключена к нагрузке с очень большим сопротивлением (например, вольтметр). 4. Режим короткого замыкания трансформатора, при котором его вторичная обмотка замкнута накоротко ( или подключена к нагрузке с очень малым сопротивлением (например, амперметр). Режим холостого хода и короткого замыкания возникают при авариях. Эти режимы могут создаваться специально для испытания трансформаторов на заводах изготовителях в опытах холостого хода и короткого замыкания. 1.Опыт холостого хода трансформатора Опытом холостого хода называют испытание трансформатора при разомкнутой цепи вторичной обмотки и номинальном напряжении на первичной обмотке. Схема для проведения опыта холостого хода приведена на рис.14.1. Полагая, что измерительные приборы не вносят в режим работы трансформатора сколько-нибудь ощутимых изменений, получаем возможность измерить ряд его параметров, а затем дополнить это ряд расчетами. Так, показания амперметра при определяют номинальное значение тока холостого хода - . Учитывая, что этот ток составляет 3 10% от номинального тока первичной обмотки для мощных трансформаторов и до 40% для маломощных, можем рассчитать значение номинального тока первичной обмотки . (14.1) Кроме этого, при разомкнутой цепи вторичной обмотки всегда . Это значит что . Измерив вольтметрами и легко определить коэффициент трансформации . (14.2) Мощность потерь в трансформаторе при холостом ходе складывается из мощности потерь в магнитопроводе - Рс и в проводах - Рпр. Мощность потерь в магнитопроводе пропорциональна квадрату магнитной индукции - В2, а значит и квадрату напряжения первичной обмотки - . Так как , то и потери в магнитопроводе соответствуют номинальному значению. Потери в проводах вторичной обмотки отсутствуют, так как . Потери в проводах первичной обмотки пропорциональны квадрату тока холостого хода (). Но ток холостого хода пренебрежимо мал в сравнении с номинальным, поэтому и мощность потерь в проводах ничтожна по сравнению с мощностью потерь в магнитопроводе. Отсюда следует, что показания ваттметра в опыте холостого хода определяют только потери в магнитопроводе - Рс. Следует учитывать, что потери Рс складываются из потерь на гистерезис и дополнительных потерь на вихревые токи, потерь в деталях конструкции и потерь из-за вибрации листов стали магнитопровода. Однако, эти дополнительные потери не превышают 20% от общих. В ряде случаев важно знать, как изменится ток холостого хода трансформатора при изменении напряжения на первичной обмотке. Зависимость приведена на рис. 14.2. Она называется характеристикой холостого хода трансформатора. При малых значениях значение магнитной индукции мало. Магнитопровод не насыщен, поэтому увеличивается пропорционально напряжению. При увеличении начинает сказываться насыщение магнитопровода и приращение тока холостого хода увеличивается. Поэтому магнитопровод трансформатора проектируют так, чтобы при значение магнитной индукции находилось в пределах 1,6 1,7 Тл. При таком значении магнитной индукции увеличение до 1,2 не приводит к критическому увеличению тока холостого хода и допустимо в течение длительного времени. 2. Опыт короткого замыкания трансформатора Опытом короткого замыкания называется испытание трансформатора при короткозамкнутой цепи вторичной обмотки и номинальном токе первичной обмотки. Схема для проведения опыта короткого замыкания приведена на рис. 14.3. Опыт проводится для определения номинального значения тока вторичной обмотки, мощности потерь в проводах и падения напряжения на внутреннем сопротивлении трансформатора. При коротком замыкании цепи вторичной обмотки, ток в ней ограничивается только малым внутренним сопротивлением этой обмотки. Поэтому, даже при относительно небольших значениях ЭДС Е2, ток I2 может достигнуть опасных величин, вызвать перегрев обмоток, разрушение изоляции и выход трансформатора из строя. Учитывая это, опыт начинают при нулевом напряжении на входе трансформатора, т.е. при . Затем постепенно увеличивают напряжение первичной обмотки до значения , при котором ток первичной обмотки достигает номинального значения. При этом ток вторичной обмотки, измеренный по амперметру А2 , принимают равным номинальному. Напряжение называют напряжением короткого замыкания. Величина напряжения первичной обмотки в опыте короткого замыкания мала и составляет 5  10% от номинального. Поэтому и действующее значение ЭДС вторичной обмотки Е2 составляет 2  5%. Пропорционально значению ЭДС уменьшается магнитный поток, а значит и мощность потерь в магнитопроводе - Рс . Отсюда следует, что показания ваттметра в опыте короткого замыкания, практически определяют только потери в проводах Рпр, причем: . (14.3) Выразим ток I2К через приведенный ток : . Учтем, что , а также что . Тогда выражение (11.3) перепишем в виде: , (14.4) где RК - активное сопротивление трансформатора в режиме короткого замыкания, причем: . (14.5) Значение активного сопротивления трансформатора позволяет рассчитать его индуктивное сопротивление: . При точном расчете нужно учитывать, что RК зависит от температуры. Поэтому полное сопротивление трансформатора определяют приведенным к температуре 750С, т.е.: . Теперь легко определить падение напряжения на внутреннем сопротивлении трансформатора - : . На практике пользуются приведенным значением UК, в процентах, обозначая его звездочкой, т.е.: . (14.6) Это значение приводят на паспортном щитке трансформатора. Знание внутреннего сопротивления трансформатора позволяет представить его схему замещения в виде рис.14.4. Векторная диаграмма, соответствующая этой схеме приведена на рис. 14.5. Векторная диаграмма позволяет определить уменьшение напряжения на выходе трансформатора  U за счет падения напряжения на его комплексном сопротивлении. Величина  U определяется как расстояние между прямыми, выходящими из точек начала и конца вектора и параллельными оси абсцисс. Из диаграммы видно, что эта величина складывается из катетов двух прямоугольных треугольников, гипотенузы которых и , а острые углы равны 2. Поэтому: . На практике пользуются относительной величиной U, в процентах, обозначенной звездочкой, т.е.: . (14.7) Для мощных трансформаторов (SH 1000 ВА) опыт короткого замыкания может служить для контроля коэффициента трансформации. Для таких трансформаторов в режиме короткого замыкания током холостого хода можно пренебречь, считая: . Поэтому: . (14.8) Последнее выражение тем точнее, чем больше мощность трансформатора. Однако оно не приемлемо для маломощных трансформаторов. 3.Внешняя характеристика трансформатора Внешняя характеристика трансформатора определяет зависимость напряжения вторичной обмотки U2 от тока вторичной обмотки I2 при постоянном коэффициенте мощности cos 2 = const и номинальном напряжении первичной обмотки U1. Часто для определения внешней характеристики пользуются относительными единицами (рис.14.6). где - ток нагрузки при номинальном токе первичной обмотки; - коэффициент загрузки трансформатора, а также: Так как , то: , где определяется по (14.7). Таким образом, ордината внешней характеристики определяется выражением: (14.9) где . Выражение (14.9) показывает, что напряжение на выходе трансформатора зависит от его внутреннего сопротивления (RК, Xк), коэффициента мощности cos 2 и коэффициент загрузки, т.е. график представляет наклонную линию. Трансформаторы проектируют так, чтобы при номинальном токе вторичной обмотки снижение выходного напряжения не превышало 5 10% от номинального. 4.Коэффициент полезного действия трансформатора Коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора определяется отношением активной мощности Р2 на выходе трансформатора к активной мощности Р1 на его входе . Мощные современные трансформаторы могут иметь КПД больше 99%. В таких случаях мощности Р2 и Р1 настолько близки, что не существует измерительных приборов, способных их отличить. Поэтому КПД определяют косвенным методом, основанном на прямом измерении мощности Р2 и мощности потерь Р. Так как: , то: (14.10) Мощность потерь в трансформаторе равна сумме мощностей потерь в магнитопроводе - РС и в проводах Рпр. Потери в магнитопроводе пропорциональны напряжению первичной обмотки U1. Обычно трансформаторы работают при номинальном напряжении первичной обмотки. Поэтому считают РС= const. Их определяют в опыте холостого хода. Потери в проводах обмоток определяются токами обмоток, которые в свою очередь зависят от характера нагрузки. Так как нагрузка силовых трансформаторов часто изменяется, то и потери в проводах переменные. Найдем выражение, удобное для их учета. Для этого вспомним, что ток холостого хода трансформатора пренебрежимо мал, в сравнении с номинальным. Поэтому будем полагать, что в рабочем режиме: . Воспользовавшись понятием коэффициентом загрузки трансформатора, можем записать: . Теперь выражение (11.4) можно записать в виде: (14.11) где - мощность потерь в проводах обмоток при номинальных токах, определяется в опыте короткого замыкания. Мощность на выходе трансформатора определяется известным выражением (14.12) Так как , то и . Тогда, применяя коэффициент загрузки трансформатора: , (14.13) где SH - номинальная полная мощность трансформатора. Подставляя (14.11) и (14.13) в (14.10) получаем окончательное выражение для КПД: Выражение показывает, что КПД трансформатора зависит от значений коэффициента мощности нагрузки - cos 2 и от коэффициента загрузки - КЗ . На практике максимум КПД достигается при средней нагрузке, когда КЗ = 0,7 0,5, а Лекция №9. АНАЛОГОВАЯ И ЦИФРОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА Введение Рассматривается элементная база электроники: электровакуумные приборы, полупроводниковые приборы. Излагаются принципы построения аналоговых и импульсных электронных устройств . Особое внимание уделено операционным усилителям и устройствам на базе операционных усилителей. Рассмотрены также основные устройства цифровой электроники, запоминающие устройства, преобразователи информации. КЛАССИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ Электронные устройства (ЭУ) по способу формирования и передачи сигналов управления подразделяются на два класса: аналоговые и дискретные. Аналоговые электронные устройства предназначены для приема, преобразования и передачи сигналов, которые изменяются по закону непрерывной (аналоговой) функции. Аналоговые ЭУ отличаются простотой, быстродействием, однако имеют низкую помехоустойчивость и нестабильность параметров при воздействии внешних дестабилизирующих факторов, например температуры, влажности, времени и т.д. Дискретные электронные устройства предназначены для приема, преобразования и передачи электрических сигналов, представленных в дискретной форме. Такие устройства отличаются высокой помехоустойчивостью, небольшой потребляемой мощностью и стоимостью. В свою очередь дискретные электронные устройства подразделяются на импульсные и цифровые. Импульсные электронные устройства формируют импульсную последовательность сигналов. Процесс преобразования аналоговой информации в последовательность импульсов носит название импульсной модуляции. На практике широко используется амплитудная, широтно-импульсная и фазоимпульсная модуляция. В цифровых электронных устройствах происходит кодирование сигнала, т.е. преобразование его в определенную последовательность однотипных импульсов. Цифровые электронные устройства в настоящее время получили очень широкое распространение благодаря высокой надежности, высокой помехоустойчивости, возможности длительного хранения информации без ее потери; энергетической совместимости и интегральной технологичности элементной базы. В ряде электронных устройств имеет место аналоговая и цифровая информация. Такие устройства относятся к комбинированным электронным устройствам. К аналоговым электронным устройствам относятся: электронные усилители, операционные усилители, коммутаторы, компараторы, стабилизаторы напряжения и т.д. К импульсным электронным устройствам относятся: мультивибраторы, одновибраторы, триггеры, блокинг-генераторы, функциональные преобразователи, генераторы пилообразного напряжения, таймеры и т.д. К цифровым электронным устройствам относятся: логические элементы, триггеры, регистры, счетчики, дешифраторы, шифраторы, мультиплексоры, демультиплексоры, сумматоры и т.д. К комбинированным электронным устройствам относятся: аналого-цифровые преобразователи и цифро-аналоговые преобразователи. Все выше перечисленные электронные устройства рассмотрены в последующих главах настоящего учебного пособия. ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ Полупроводниковым диодом называется прибор с двумя выводами и одним p-n переходом. Принцип работы полупроводникового диода основан на использовании односторонней проводимости, электрического пробоя и других свойств p-n перехода. Диоды различают по назначению, материалу, конструктивному исполнению, мощности и другим признакам. В зависимости от технологии изготовления различают точечные диоды, сплавные, микросплавные, эпитаксиальные и другие. По функциональному назначению диоды делятся на выпрямительные, универсальные, импульсные, смесительные, СВЧ, стабилитроны, стабисторы, варикапы, динисторы, тиристоры, симисторы, фотодиоды, светодиоды и т.д. По конструктивному исполнению диоды бывают плоскостные и точечные. По используемому материалу - кремниевые, германиевые, арсенид-галлиевые. Диоды обладают односторонней проводимостью и служат: для выпрямления переменного тока, стабилизации тока и напряжения, формирования импульсов, для регулирования мощностей и т.д. Выпрямительные диоды применяются для преобразования переменного тока в постоянный. Они делятся на: маломощные (до 0,3А), средней мощности (до 10А), мощные (более 1000А), низкочастотные (до 1кГц) и высокочастотные (до 100кГц). Свойства выпрямительных диодов характеризуются вольт -амперной характеристикой и параметрами, которые приводятся в справочной литературе. Основные параметры диодов(рис. 8.): — средний выпрямленный ток Jср , — прямое падение напряжения Uпр , — обратный ток диода при заданной температуре Jобр., — напряжение отсечки Uотс., — мощность рассеивания Ррас., — рабочая частота fр. и др. В ряде случаев для увеличения тока используется параллельное включение диодов (рис.9). Для выравнивания токов через диоды последовательно с диодами включаются резисторы. Наряду с выпрямительными диодами для выпрямления переменного тока используются мосты (рис.10) и диодные столбики. Выпрямительные мосты состоят из четырех диодов, размещенных в корпусе и залитые эпоксидной смолой. Диодные столбики представляют собой набор из последовательно соединенных диодов и предназначены для выпрямления высоковольтных напряжений. Высокочастотные диоды предназначены для преобразования и обработки высокочастотных сигналов ( до десятков гигагерц ). Обычно это точечные диоды с минимальными паразитными параметрами. Импульсные диоды нашли применение в пленочных схемах, например в формирователях импульсных сигналов, в схемах автоматического регулирования, в вычислительных устройствах. Импульсные диоды обладают высоким быстродействием и минимальным временем восстановления. Стабилитроны – это разновидность диодов, предназначенных для стабилизации напряжения. Вольт – амперная характеристика стабилитрона имеет вид (рис.11). Рабочий участок характеристики АВ лежит в области электрического пробоя диода и характеризуется малым изменением напряжения Uст при значительных изменениях тока. Стабилитроны могут быть одноанодные, двуханодные, универсальные, прецизионные. Двуханодные стабилитроны обеспечивают стабилизацию двух полярных напряжений. Обычно они представляют собой два одноанодных стабилитрона, включенных последовательно навстречу друг другу. Основными параметрами стабилитрона являются: — напряжение стабилизации Uст , — минимальный ток стабилизации Jмин. стаб. , — максимальный ток стабилизации Jмак. стаб. , — дифференциальное сопротивление rдиф — допустимая мощность рассеивания, — температурный коэффициент напряжения стабилизации. Все стабилитроны подразделяются на маломощные, средней мощности и мощные. Условные обозначения приведены в таблице 1. Таблица 1 Стабисторы, как и стабилитроны, предназначены для стабилизации напряжения. Однако, в отличии от последних, рабочим участком у них является прямая ветвь вольт–амперной характеристики. Стабисторы работают при прямом напряжении и позволяют стабилизировать малые напряжения (0,35-1,9)в. Основные параметры и условные обозначения у стабисторов такие же, как и у стабилитронов. Варикапы – это полупроводниковые диоды, емкость которых меняется при изменении обратного напряжения. На рис.13 приведена вольт – амперная и емкостная характеристика варикапа. Емкость варикапа увеличивается с уменьшением обратного напряжения. Основными параметрами варикапа являются: — емкость варикапа при заданном обратном напряжении Св , — коэффициент перекрытия по емкости — сопротивление потерь rп , — добротность Qв , — температурный коэффициент емкости. Варикапы применяются в резонансных схемах для изменения резонансной частоты генераторов, усилителей и т.д. а) б) Рис.13 Вольт – амперная (а) и емкостная (б) характеристики варикапа Динисторы ( диодные тиристоры ) – представляют собой четырехслойную структуру и имеют три p-n перехода. Вольт – амперная характеристика динистора приведена на рис.14. При повышении напряжения на аноде Uа динистора ток Jа растет медленно (участок I). При Uа =Uвкл. возникает электрический пробой р-n перехода, сопротивление динистора падает (участок II) и ток J0 определяется, в основном, нагрузочным резистором в цепи анода. Отключение динистора происходит только при уменьшении тока Jа< Jудерж. Динисторы применяются в формирователях импульсов, в преобразователях, в системах автоматического регулирования. Рис.14 Вольт – амперная характеристика Тиристоры (тринисторы) представляют собой многослойную структуру, имеющие три вывода: анод, катод и управляющий электрод. ВАХ тиристора приведена на рис.15. На управляющий электрод поступает управляющий ток Jупр , снижающее напряжение включения Uвкл. Рис.15 ВАХ тиристора (с), условное обозначение незапираемого (а) изапираемого (в) тиристора Тиристоры делятся на запираемые и незапираемые. Запираемые тиристоры способны переключатся из открытого состояния в закрытое при подаче на управляющий электрод сигнала отрицательной полярности. Незапираемые тиристоры отключаются только при снижении анодного тока до уровня Jа< Jудерж. Таким образом, тиристор имеет два устойчивых состояния и используется в формирователях импульсов и в схемах автоматического управления. Симисторы ( симметричные тиристоры ) имеют пятислойную структуру, три электрода и симметричную вольт -–амперную характеристику (рис.16). Рис.16 ВАХ сим и стора (б) , условн ое обозначение симистора (а) Открытие симистора управляющими сигналами. Симисторы в отличии от тиристоров имеют возможность проводитьток в двух направлениях, поэтому на них можно подавать переменное напряжение. Симисторы, как и тиристоры могут применяться в формирователях, коммутаторах, в регуляторах тока и напряжения. Важнейшими параметрами тиристоров являются: ток удержания Jудерж, напряжение в открытом состоянии, ток отпирания Jупр, средний ток, импульсный ток, время включения и отключения и т.д. Излучающие диоды представляют собой полупроводниковые диоды, излучающие из области p-n перехода кванты энергии. Излучение происходит через прозрачную стеклянную пластину, размещенную в корпусе диода. По характеристике излучения диоды делятся на две группы: диоды с излучением в видимой области спектра, получившие название светодиоды и диоды с излучением в инфракрасной области спектра, получившие название ИК -диоды. Светодиоды применяются в качестве световых индикаторов, а ИК -диоды в качестве источников излучения в оптоэлектронных приборах и в качестве первичных преобразователей информации. Маркировка полупроводниковых приборов предусматривает шесть символов. Первый символ – буква (для приборов общего применения) или цифра (для приборов специального назначения), указывающая исходный полупроводниковый материал, из которого изготовлен диод: Г(1) – германий, К(2) – кремний, А(3) – арсенид галлия. Второй символ – буква, обозначающая подкласс диода: Д – выпрямительные, высокочастотные и импульсные; В – варикапы, С – стабилитроны и стабисторы; Н – динисторы; У – тиристоры; Л – излучающие диоды и т.д. Третий символ – цифра, указывающая назначение диода, например: 1, 2, 3 – выпрямительные диоды, 5- импульсные, 6 – СВЧ и т.д. Четвертый и пятый символы – двухзначное число, указывающее порядковый номер разработки (у стабилитронов – номинальное напряжение стабилизации). Шестой символ – буква, обозначающая параметрическую группу прибора. Например: КД521А – кремниевый импульсный диод, номер разработки 21, группа А, общего применения. Полупроводниковые транзисторы Все полупроводниковые транзисторы делятся на две группы: биполярные и униполярные (полевые) транзисторы. Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя взаимодействующими p-n переходами. Биполярные транзисторы различаются по структуре. В зависимости от чередования областей различают биполярные транзисторы типа “p-n-p” и “n-p-n” (рис.17). Транзисторы также подразделяются по мощности, частоте и другим признакам. Принцип действия биполярного транзистора основан на использовании физических процессов, происходящих при переносе основных носителей электрических зарядов из эмиттерной области в коллекторную через базу. где Iэ, Iк, Iб – токи соответственно в цепи эмиттера, коллектора, базы. Важнейшими параметрами, характеризующими качество транзистора, являются дифференциальный коэффициент передачи тока из эмиттера в коллектор - a и дифференциальный коэффициент передачи тока из базы в коллектор - b. Современные транзисторы имеют a=(0,9-0,99)<1 и в=(4 -10000). Основными параметрами, характеризующими транзистор как активный нелинейный четырехполюсник (рис. 18.) являются: — коэффициент усиления по току Ki — коэффициент усиления по напряжению KU — коэффициент усиления по мощности KP — входное сопротивление Rвх — выходное сопротивление Rвых. Обычно транзисторы включаются в электрическую схему таким образом, чтобы один из его электродов был входным, второй выходным, а третий общий для входа и выхода. В зависимости от этого различают три способа включения транзистора: с общей базой (ОБ), с общим эмиттером (ОЭ) и с общим коллектором (ОК). Рассмотрим особенности каждой схемы. В схеме с ОБ (рис.19) входной сигнал поступает на эмиттер, а выходной снимается с коллектора. Входным сопротивлением схемы Rвх является сопротивление открытого эмиттерного перехода, которое составляет десятки ом. Выходное сопротивление определяется обратным включенным коллекторным переходом. Поэтому Rвых>>Rвх. Коэффициент усиления транзистора с ОБ по току соответствует примерно коэффициенту передачи a=0,95-0,99. Коэффициент усиления транзистора по напряжению где Rвх.б – входное сопротивление открытого эмиттерного перехода. Так как Rн>> Rвх.б, то KV>1. Таким образом, схема включения транзистора с ОБ не обеспечивает усиление по току, однако усиливает входной сигнал по напряжению и мощности. В схеме с ОЭ (рис.20) входной сигнал поступает на входы база – эмиттер, а выходной снимается с коллектора. Входное сопротивление Rвх.э схемы значительно больше, чем в схеме с ОБ. Коэффициент усиления схемы по току KI >> 1. Коэффициент усиления схемы по напряжению KV>1. Коэффициент усиления схемы по мощности равен произведению коэффициентов KI и KV >> 1. Схема с ОЭ обеспечивает усиление входного сигнала по току, напряжению и мощности, используется в усилителях, генераторах, формирователях и является самой распространенной. В схеме ОК (рис.21) входной сигнал подается на входы база – коллектор, а выходной сигнал снимается с эмиттера. Входное сопротивление схемы Rвх велико и равно Rвх=Rн. Коэффициент усиления схемы с ОК по току KI >>1. Коэффициент усиления схемы с ОК по напряжению: КU < 1. Схему с общим эмиттером часто называют эмиттерным повторителем, т.к. нагрузка включена в цепь эмиттера. Схема обеспечивает усиление по току, мощности, имеет коэффициент усиления по напряжению меньше единицы (Кv≈0,9-0,99), отличается большим входным сопротивлением и малым выходным Rвх>>Rвых и широко используется в качестве согласующего каскада. Статические характеристики транзисторов. Статические характеристики транзисторов представляют собой графические зависимости между токами, протекающими в цепях транзистора, и напряжениями на его входах и выходах. Эти характеристики приводятся в справочной литературе и используются при анализе и расчете электронных схем. Различают входные и выходные статические характеристики транзисторов. Входные характеристики показывают зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном напряжении на коллекторе. Выходные характеристики показывают зависимость выходного тока от напряжения на коллекторе при постоянном входном токе или напряжении. На рис. 22 приведены статические характеристики для схемы с ОЭ. На выходной характеристике можно выделить три зоны, свойственные трем режимам работы транзисторов. Область I - режим отсечки; область II - режим усиления и область III - режим насыщения. Динамические характеристики транзистора определяют режим работы транзистора, в выходной цепи которого имеется нагрузка, а на вход подается усиливаемый сигнал. В этой схеме увеличение тока базы вызывает возрастание тока в цепи коллектора и уменьшение напряжения на коллекторе. Ток и напряжение на коллекторе связаны между собой уравнением . Динамические характеристики строятся на семействе статических при заданных напряжениях источника питания Uп и сопротивления нагрузки Rк. Для построения динамической характеристики используется уравнение, которое представляет собой уравнение прямой (АБВ). Изменение температуры окружающей среды изменяет параметры транзистора и его статические и динамические характеристики. Это может привести к нарушению выбранного режима работы. Поэтому применяются различные методы температурной стабилизации. Биполярные транзисторы классифицируются по двум параметрам: по мощности и по частотным свойствам. По мощности они подразделяются на маломощные (Pвых≤0,3 Вт), средней мощности (0,3 Вт<Рвых≤1,5 Вт) и мощные (Рвых >1,5 Вт); по частотным свойствам - на низкочастотные (fб≤0,3 МГц), средней частоты (0,3МГц< fб≤3МГц), высокой частоты (3МГц30МГц). Маркировка биполярных транзисторов предусматривает шесть символов. Первый символ - буква (для приборов общего применения) или цифра для приборов специального назначения, указывающая исходный полупроводниковый материал, из которого изготовлен транзистор: Г(1)- германий, К(2)-кремний, А(3)- арсенид галлия. Второй символ – буква Т, означающая биполярный транзистор, Третий символ- цифра, указывающая мощность и частотные свойства транзистора (таблица 2). Таблица 2. Четвертый и пятый символы - двухзначное число, указывающее порядковый номер разработки. Шестой символ- буква, обозначающая параметрическую группу прибора. Полевые транзисторы. Полевым транзистором называется транзистор, в котором между двумя электродами образуется проводящий канал, по которому протекает ток. Управление этим током осуществляется электрическим полем, создаваемым третьим электродом. Электрод, с которого начинается движение носителей заряда, называется истоком, а электрод, к которому они движутся- стоком. Электрод, создающий управляющее электрическое поле называется затвором. Различают два типа полевых транзисторов: с управляющим p-n-переходом и с изолированным затвором (МДП -транзисторы). По типу электропроводности полевые транзисторы подразделяются на транзисторы с каналами "p" и "n" типов. Транзистор с управляющим p-n переходом представляет собой пластину из полупроводникового материала, имеющего электропроводность определенного типа, от концов которого сделаны два вывода- исток и сток. Вдоль пластины сделан p-n-переход, от которого сделан третий вывод- затвор. Если к электродам подключить напряжение питания, то между стоком и истоком будет протекать ток. Сопротивление канала, а, следовательно, и ток, проходящий через канал зависят от напряжения на затворе. Напряжение на затворе, при котором ток истока минимален, называется напряжением отсечки Uзи.отс. Если на затвор подать переменный сигнал, то ток стока Iс также будет изменяться по тому же закону. Статические характеристики транзистора с управляющим p-n-переходом приведены на рис. 26. Рис.26. Входная (а) и выходная б характеристики полевого транзистора с управляющим p-n-переходом. Максимальный ток стока Jс будет при нулевом напряжении на затворе. При уменьшении напряжения на затворе ток стока уменьшается и при Uзи=Uзи.отс. Jс≈0. Полевые транзисторы характеризуются следующими параметрами: — крутизной характеристики S при Uси-const — коэффициентом усиления по напряжению KV при Jс-const — выходным сопротивлением Rвых. при Uзи-const — входным сопротивлением Rвх — напряжением отсечки Uзи.отс. — максимальным током стока Jс.max. Транзисторы с изолированным затвором (МДП -транзисторы) в отличие от рассмотренных выше, имеют затвор изолированный от канала слоем диэлектрика. Поэтому они имеют очень большое входное сопротивление до 1012 -1014 Ом. Принцип действия МДП -транзисторов основан на эффекте изменения проводимости приповерхностного слоя полупроводника на границе с диэлектриком под воздействием электрического поля. Рис.27. Конструкция(а), условные обозначения(б), входная(в) и выходная(г) характеристики МДП – транзистора со встроенным каналом. МДП -транзисторы делятся на транзисторы с встроенным каналом и на транзисторы с индуцированным каналом. Транзисторы имеют четвертый электрод, называемый подложкой, который выполняет вспомогательную роль. МДП -транзисторы могут быть с каналами n или p-типа. На рис. 27 приведена конструкция МДП –транзистора со встроенным каналом. В МДП –транзисторах токопроводящий канал создается технологическим путем в виде тонкого слаболегированного полупроводникового слоя. Поэтому при Uзи=0 канал существует. МДП –транзисторы с индуцированным каналом отличаются тем, что проводящий канал здесь не создается, а образуется (индуцируется) благодаря притоку электронов из полупроводниковой пластины при приложении к затвору напряжения положительной (отрицательной) полярности относительно истока. За счет притока электронов в приповерхностном слое возникает токопроводящий канал, соединяющий области стока и истока. При изменении напряжения на затворе изменяется сопротивление канала. На рис. 28 приведена конструкция и статические характеристики МДП –транзистора с индуцированным каналом. Рис.28. Конструкция(а), условные обозначения(б), входная(в) и выходная (г) характеристики МДП – транзистора с индуцированным каналом. Особенностью данного транзистора является то, что управляющий сигнал Uзи совпадает по полярности с напряжением Uси . Полевые транзисторы, так же как и биполярные, могут быть включены в цепь по схеме с общим затвором (ОЗ), с общим истоком (ОИ) и с общим стоком (ОС). Отличительным свойством полевых транзисторов является то, что управляющим сигналом является не ток, а напряжение. Это делает их похожими на лампы. Полевые транзисторы успешно применяются в различных усилительных и переключающих устройствах, они часто используются в сочетании с биполярными транзисторами. На базе полевых транзисторов построены многие интегральные микросхемы. Полевые транзисторы обозначаются аналогично биполярным, только вторым элементом является буква П, например КП306А – кремневый полевой транзистор, малой мощности, высокочастотный, номер разработки 06 группа А. Необходимая информация по транзисторам приводится в справочной литературе. Декция №10. АНАЛОГОВЫЕ И ИМПУЛЬСНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА Аналоговые усилители. Классификация. Основные характеристики и параметры усилителей Усилителем называется устройство, предназначенное для усиления входных электрических сигналов по напряжению, току или мощности за счет преобразования энергии источника питания в энергию выходного сигнала. Усилитель включает в себя нелинейный элемент, управляемый входным электрическим сигналом Uвх, источник питания Uп и нагрузочное устройство с сопротивлением Zн. Входной сигнал Uвх управляет параметрами нелинейного элемента. В качестве нелинейного элемента используются электровакуумные приборы, транзисторы и другие элементы. Рис. 47. Структурная схема усилительного устройства Усилитель может иметь один или два входа и один или два выхода. Один из входов обычно является прямым, а второй – инверсным. Классификация усилителей производится по многим признакам: -по виду усиливаемого сигнала они делятся на усилители гармонических и импульсных сигналов; -по типу усиливаемого сигнала усилители подразделяют на усилители напряжения, тока и мощности; - по диапазону усиливаемых частот различают усилители постоянного тока и усилители переменного тока. В свою очередь усилители переменного тока в зависимости от диапазона усиливаемых частот делятся на усилители низкой частоты (УНЧ), высокой частоты (УВЧ), широкополосные и избирательные усилители. Последние обеспечивают усиление в узком диапазоне частот; по виду нагрузки различают усилители с активной, с активно-индуктивной и емкостной нагрузкой. Усилители могут быть однокаскадными и многокаскадными с гальванической, емкостной и индуктивной связью. В зависимости от режима работы можно выделить два класса усилителей: усилители с линейным режимом работы и усилители с нелинейным режимом работы. Основными характеристиками любого усилителя являются: 1. амплитудная характеристика, которая представляет собой зависимость: . Для линейных усилителей это прямая, проходящая через начало координат; 2. амплитудно-частотная характеристика (АЧХ). Отражает зависимость амплитуды выходного сигнала от частоты. Реально в усилителях из-за наличия паразитных емкостей и индуктивностей различные частоты усиливаются неодинаково; 3.фазово-частотная характеристика . Отражает зависимость угла сдвига фазы выходного сигнала по отношению к фазе входного сигнала; 4.переходная характеристика – отражает реакцию усилителя на единичный скачок входного напряжения. Переходная характеристика определяется по ее изображению на экране осциллографа при подаче на вход усилителя входного сигнала прямоугольной формы. Процесс изменения выходного сигнала может быть колебательным (кривая 1) либо аппериодичным (кривая 2). Важнейшими параметрами усилителя являются: 1.коэффициенты усиления по току KI , 2. коэффициент усиления по напряжению KU 3. коэффициент усиления по мощности KP : 4. полоса пропускания усилителя (2f ) - характеризует частотные свойства усилителя. 5. Входное и выходное сопротивление необходимо учитывать при согласовании с источником входного сигнала и с нагрузкой. В общем случае значение входного и выходного сопротивлений носят комплексный характер и являются функцией от частоты: ; 6. Выходная мощность усилителя – это мощность, которая выделяется на нагрузке. 7. Искажения сигналов в усилителе – это отклонение формы выходного сигнала от формы входного сигнала. Различают два вида искажений: статические (нелинейные) и динамические (линейные). Нелинейные искажения возникают в умножителе за счет работы его на нелинейном участке ВАХ. Количественно нелинейные искажения оцениваются коэффициентом нелинейных искажений. Линейные искажения определяются амплитудно-частотной характеристикой усилителя и количественно оцениваются коэффициентами частотных искажений на низких и высоких частотах. Для получения высоких коэффициентов усиления в состав усилителя входит обычно несколько каскадов. Первым каскадом как правило является предварительный усилитель, затем идут промежуточный усилитель и усилитель мощности. Предварительный усилитель обеспечивает связь источника сигнала с усилителем. Он должен иметь большое входное сопротивление для того, чтобы не ослаблять входной сигнал. Промежуточный усилитель обеспечивает основное усиление, а усилитель мощности обеспечивает заданную выходную мощность. При построении усилительных устройств наибольшее распространение получили каскады на биполярных и полевых транзисторах, включенных с ОЭ (OU) или с ОК (OC). Обратная связь в усилителях Обратной связью называется такая связь, при которой сигнал с выхода усилителя через электрическую цепь поступает на его входы. Обратная связь изменяет свойства усилителя, поэтому она широко используется для получения требуемых параметров усилителя. Структурная схема усилителя, охваченного обратной связью, приведена ниже. Рис. 50. Структурная схема усилителя с обратной связью В общем случае обратная связь в усилителе может быть положительной и отрицательной. Если сигнал обратной связи по фазе совпадает с входным, то связь называется положительной. В этом случае: ; где KU0 – коэффициент усиления усилителя без обратной связи; КU.полож – коэффициент усиления усилителя с положительной обратной связью; Вос - коэффициент передачи в цепи обратной связи. а) б) Рис. 51. Обратная связь по напряжению (а) и по току (б). Uвх усил=Uвхо±Uос; Iвх=Iвх± Iос. Полученное выражение показывает, что введение в усилитель положительной обратной связи увеличивает коэффициент усиления. Отрицательная обратная связь возникает, если фазовый сдвиг выходного сигнала относительно входного составляет 1800. Отрицательная обратная связь уменьшает коэффициент усиления усилителя. По способу получения сигнала обратной связи принято различать обратную связь по напряжению и по току.(рис. 51). Обратная связь может быть частотозависимой и частотонезависимой. В обратной связи могут использоваться как линейные элементы, так и нелинейные. В электронных усилителях, как правило, применяется отрицательная обратная связь. Несмотря на уменьшение коэффициента усиления, отрицательная обратная связь позволяет улучшить стабильность работы схемы при изменении параметров усилителя и напряжения питания; снижает уровень нелинейных искажений и собственных помех, увеличивает входное и уменьшает выходное сопротивление; расширяет полосу пропускания усилителя. Положительная обратная связь применяется в автогенераторах. В некоторых усилителях для получения требуемой АЧХ используется одновременно и положительная и отрицательная обратные связи. Усилительный каскад по схеме с общим эмиттером Основными элементами схемы являются транзистор VT и резистор в цели коллектора Rk. Остальные элементы играют вспомогательную роль. Резисторы R1 и R2 создают напряжение смещения Uсм на базе транзистора и тем самым обеспечивают заданный режим работы усилителя. Конденсаторы Cg разделяют переменную и постоянную составляющие входного и выходного сигналов. При отсутствии входного сигнала выходной ток и выходное напряжение постоянны: При поступлении на вход сигнала Uвх он усиливается в КU раз и снимается с выхода в противофазе по отношению к входному сигналу. Для усилителя с ОЭ: Rвх= R1// R2// R вх э . Rвх эRвх б . Коэффициент усиления по току . а) б) Рис. 52. Усилительный каскад с ОЭ (а), временная диаграмма его работы (б). а) б) Рис. 53. Входная(а) и выходная(б) характеристики усилителя в режиме работы А. 52 Таким образом, каскад с ОЭ имеет большой коэффициент усиления по току и при Rk>>Rн стремится к b . Коэффициент усиления KU возрастает с увеличением b и RH Обычно KU 10- 100¸ и выше. Коэффициент усиления по мощности составляет (0,2 – 5)*103. Основные режимы работы усилителя. В зависимости от величины смещения на базе транзистора Uсм различают следующие режимы работы усилителя: A, B, AB, C, D. Режим A характеризуется выбором рабочей точки на линейном участке входной характеристики (рис. 53).В исходном состоянии транзистор открыт напряжением смещения Uсм и в цепи коллектора протекает ток Iко. При поступлении входного сигнала на выходе усилителя появляется выходной сигнал в противофазе по отношению ко входному. а) б) Рис. 54. Входная (а) и выходная (б) характеристики усилителя в режиме работы В Режим А характерен тем, что форма выходного сигнала Uвых(t) повторяет форму входного сигнала Uвх(t) за счет работы транзистора в активной зоне без захода в область насыщения и отсечки. Режим характеризуется минимальными нелинейными искажениями. В это же время работа усилителя в режиме А характеризуется низким КПД, который теоретически не может превышать 0,5, что объясняется постоянным током Iко вне зависимость от наличия или отсутствия входного сигнала. Поэтому такой режим используется только в маломощных каскадах, в которых необходимо иметь минимальные нелинейные искажения. На основе характеристик рис.53, можно пояснить графикоаналитический метод расчета усилителя. По графикам можно определить: коэффициент усиления по току ; коэффициент усиления по напряжению ; коэффициент усиления по мощности . Режим В характеризуется тем, что напряжение смещения Uсм=0, а следовательно, рабочая точка выбирается в самом начале входной характеристики. Особенностью режима В является то, что при отсутствии входного сигнала отсутствуют базовые и коллекторные токи. При поступлении входного сигнала ток в коллекторе имеет пульсирующий характер и протекает в течении половины периода. Режим В характеризуется высоким КПД, который может достигать 70%, однако выходной сигнал сильно искажается. Поэтому такой режим применяется только в двухтактных усилителях. Режим АВ занимает промежуточное положение между режимом А и В. Он характеризуется небольшим напряжением смещения Uсм меньшими нелинейными искажениями по сравнению с режимом А. Режим АВ используется в высококачественных двухтактных усилителях мощности. Режим С характеризуется тем, что рабочая точка на входной характеристике сдвинута влево от начала координат. Следовательно, более половины периода транзистор находится в закрытом состоянии. Режим С характеризуется высоким КПД, большими нелинейными искажениями и применяется в генераторах частоты. Режим D характеризуется тем, что усилительный элемент может находится в открытом (режим насыщения) либо в закрытом (режим отсечки) состояниях. Таким образом, ток в выходной цепи может принимать только два значения: IK.max=Iнас. и IK.min =0. Скорость перехода из одного состояния в другое характеризует быстродействие усилительного элемента. Обычно Uнас.<1B, поэтому КПД такого усилительного каскада близок к 1. Режим работы D, который называют еще ключевым режимом, применяется в импульсных схемах. Методы стабилизации работы усилителя по схеме с ОЭ. Основные параметры каскада усилителя с ОЭ зависят от внешних возмущений и в первую очередь от температуры. При изменении температуры изменяется обратный ток IK.обр., напряжение Uб.э., коэффициенты a и b . Все эти изменения принято характеризовать понятием дрейф нуля усилителя. Внешние воздействия, изменяя ток покоя транзистора, выводят транзистор из заданного режима. Это особенно опасно для усилителей, работающих в режиме А, т.к. транзистор может перейти в нелинейную область характеристики. а) б) Рис. 55. Входная (а) и выходная (б) характеристики усилителя в режиме работы D Существуют три основных метода стабилизации работы транзисторного каскада: термокомпенсация, параметрическая стабилизация и введение отрицательной обратной связи. Метод термокомпенсации заключается в том, что отдельные термозависимые элементы или целиком каскады помещаются в термокамеру с постоянной температурой. Метод параметрической стабилизации основан на введении в схему элементов, которые компенсируют изменение параметров схемы при внешних воздействиях среды. Например, воздействие температуры может быть уменьшено введением в схему полупроводниковых элементов или терморезисторов. Метод введения отрицательной обратной связи является более распространенным. Отрицательная обратная связь (ООС) осуществляется за счет введения в цепь эмиттера резистора Rэ. Ток эмиттера, протекая по резистору Rэ, создает на нем падение напряжения Uоос=IэRэ. Это напряжение автоматически складывается с напряжением на базе, однако, направлено встречно и компенсирует температурные изменения напряжения на базе транзистора. Введение ООС увеличивает входное сопротивление усилительного каскада, расширяет полосу пропускания, уменьшает линейные и нелинейные искажения, делает работу схемы более устойчивой. Усилительный каскад по схеме с общим коллектором Усилитель на транзисторе с ОК более часто называют эмиттерным повторителем. Он представляет собой каскад со 100%-й последовательной отрицательной обратной связью по току. В отличие от усилителя по схеме с ОЭ, схема с ОК ( рис.58) не инвертирует входной сигнал. а) б) Рис. 56. Параметрическая стабилизация с использованием терморезистора (а) и полупроводникового транзистора (б). Рис. 57. Транзисторный усилитель с отрицательной ОС по току. Рассмотрим основные характеристики эмиттерного повторителя: коэффициент усиления по току ; коэффициент усиления по напряжению ; При больших сопротивлениях R1 и R2 входное сопротивление в практических схемах Rвх достигает 200-300 кОм при Rэ=10 кОм. Выходное сопротивление повторителя Rвых=rэ и составляет десятки Ом. Эмиттерные повторители используются, в основном, в качестве согласующего элемента. На базе транзисторного усилителя с ОЭ можно построить источник постоянного тока. Для этого необходимо обеспечить постоянный базовый ток транзистора или ввести постоянную обратную связь по току. Для повышения коэффициента усиления транзисторного каскада с ОЭ в качестве резистора Rк часто используется нелинейный элемент, статическое сопротивление которого значительно меньше его дифференциального сопротивления. В этом случае падение напряжения на этом элементе от протекания тока будет определяться его статистическим сопротивлением, а отклонение выходного напряжения - динамическим сопротивлением. Роль нелинейного элемента выполняет транзистор. Рис. 58. Усилительный каскад с ОК 3.6. Дифференциальный усилитель Дифференциальный усилитель представляет собой мостовые усилительные каскады параллельного типа. Они обладают высокой стабильностью параметров при воздействии различных дестабилизирующих факторов, большим коэффициентом усиления дифференциальных сигналов и высокой степенью подавления синфазных помех. Усилитель состоит из двух каскадов, у которых имеется общий эмиттерный резистор (рис.59). а) б) Рис. 59. Дифференциальный усилительный каскад (а) и его эквивалентная схема (б) Элементы схемы образуют мост, в одну диагональ которого включен источник питания Un, а в другую сопротивление нагрузки Rн. В отличие от полезного сигнала, который поступает на входы дифференциального усилителя в противофазе, на входы усилителя действуют сигналы, совпадающие по фазе. Такие сигналы называются синфазными. Появление данных сигналов обусловлено действием различных дестабилизирующих факторов, например, изменением температуры окружающей среды, изменением питающих напряжений наводками внешних электромагнитных полей. Для идеального дифференциального усилителя синфазные сигналы полностью подавляются. В реальных усилителях из-за не идентичности каскадов подавление будет не полным и характеризуется коэффициентом подавления синфазных помех Кпсф. Величина Кпсф в современных дифференциальных усилителях достигает 104-106. Коэффициент Кпсф в значительной степени характеризует дрейф нуля усилителя, т.е. изменение выходного напряжения при постоянном входном сигнале. Для снижения дрейфа нуля производят подбор пар транзисторов с одинаковыми параметрами и увеличение Rэ. Для увеличения Rэ в эмиттерную цепь ставится не пассивный резистор, а нелинейный двухполюсник, например транзисторный источник тока на биполярном или полевом транзисторе. Эти схемы при небольшом статическом сопротивлении обладают большим дифференциальным сопротивлением. Для увеличения коэффициента усиления в современных дифференциальных усилителях вместо резисторов Rк используют активную нагрузку, выполненную на транзисторах. Входное сопротивление дифференциального усилителя может быть существенно увеличено при использовании в каскадах полевых транзисторов. Многокаскадные усилители Коэффициент усиления одиночных транзисторных каскадов не превышает нескольких десятков. Поэтому для усиления слабых сигналов применяются многокаскадные усилители. Многокаскадные усилители строятся путем последовательного соединения отдельных усилительных каскадов (рис. 60). Рис. 60. Структурная схема многокаскадного усилителя В многокаскадных усилителях выходной сигнал предыдущего усилителя является входным сигналом для последующего каскада. Входное сопротивление многокаскадного усилителя определяется входным сопротивлением первого каскада, а выходное – выходным сопротивлением последнего каскада. Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления всех каскадов, входящих в него: где KU1, KU2, … KUn –коэффициенты усиления отдельных каскадов. Важными характеристиками многокаскадного усилителя являются его амплитудно-частотная и амплитудная характеристики. Отдельные каскады могут иметь различные АЧХ. Общая АЧХ многокаскадного усилителя определяется всеми входящими в его состав каскадами. Связь отдельных каскадов друг с другом осуществляется с помощью конденсаторов, трансформаторов или непосредственно. В соответствии с этим различают многокаскадные усилители с емкостной, индуктивной или гальванической связями. Усилители постоянного тока (УПТ) Усилители постоянного тока усиливают не только переменную составляющую сигнала, но и его постоянную составляющую. Поэтому их АЧХ имеет вид (рис. 62). Рис. 62. АЧХ усилителя постоянного тока Усилители постоянного тока должны иметь большой коэффициент усиления, небольшое напряжение смещения и малый дрейф. Обычно УПТ состоит из нескольких каскадов с непосредственными связями. По принципу действия УПТ подразделяются на два основных типа: УПТ прямого усиления и УПТ с преобразованием сигнала. УПТ прямого усиления представляют собой многокаскадный усилитель с непосредственными связями. Для уменьшения дрейфа в качестве первого каскада применяется дифференциальный усилитель. Для питания УПТ используются два разнополярных источника напряжения. В УПТ с преобразованием сигнала входной сигнал вначале преобразуется в сигналы переменного тока. Далее переменный сигнал усиливается УНЧ и демодулируется. Ввиду того, что усиление сигналов происходят в УНЧ по переменному току, дрейф практически отсутствует. К недостаткам таких УПТ являются наличие в выходном сигнале переменной составляющей, которую можно снизить установкой дополнительного фильтра, и недостаточно широкая полоса пропускания. В настоящее время УПТ выполняются в виде интегральных схем. УПТ широко используются в электронных вычислительных устройствах, стабилизаторах, системах автоматического управления. Рис. 63. Блок-схема УПТ с преобразованием сигнала Избирательные усилители Избирательные усилители предназначены для усиления сигналов в узкой полосе частот. По принципу действия различают избирательные усилители: резонансные и усилители с обратной связью. В резонансных усилителях в качестве нагрузки применяется колебательный контур, умеющий большое сопротивление на резонансной частоте f0 и малое для других частот. Избирательные свойства усилителя оцениваются добротностью Q: , где f0 – резонансная частота контура; 2f – полоса пропускания контура. Резонансные усилители обладают высокой помехозащищенностью и используются часто в измерительных и в приемопередающих устройствах на высоких и средних частотах. На более низких частотах избирательные усилители с резонансными контурами становятся слишком громоздкими. Поэтому на низких частотах обычно используются избирательные усилители с обратными связями с использованием частотно-избирательных фильтров RC-типа в цепях обратной связи. 3.10 Усилители мощности Усилители мощности обычно являются выходными каскадами многокаскадных усилителей и предназначены для получения в нагрузке большой мощности. В связи с этим такие усилители должны иметь высокий КПД и минимальные нелинейные искажения. Усилители мощности выполняются на мощных биполярных и полевых транзисторах, включенных по схеме с ОЭ или с ОК. По способу включения нагрузки усилители мощности могут быть трансформаторными и бестрансформаторными, а также однотактными и двухтактными. Однотактные усилители работают обычно в режиме А, а двухтактные – в режиме В или АВ. Схема однотактного усилителя мощности с трансформаторным выходом, работающего в режиме А, приведена на рис.66. Рис. 66. Усилитель мощности однотактный с трансформаторным выходом Однотактный усилитель имеет низкий КПД и используется редко. Расчет такого каскада производят графоаналитическим методом с использованием динамических характеристик. Схема двухтактного трансформаторного усилителя мощности приведена на рис.67. Рис. 67. Усилитель мощности двухтактный с трансформаторным выходом (а), входная характеристика для режима В (б), для режима АВ (в) Усилитель выполнен на двух транзисторах: VT1 и VT2. В коллекторные цепи транзисторов подключен выходной трансформатор Тр2. Трансформатор Тр1 обеспечивает подачу входного сигнала Uвх на базы транзисторов. Каскад работает в режиме В. Следовательно, при отсутствии сигнала токи в транзисторах отсутствуют, и к коллекторам транзисторов прикладывается напряжение Un. При поступлении на вход усилителя сигнала Uвх каждая полуволна открывает поочередно один из транзисторов, и через первичную обмотку трансформатора Тр2 протекает ток полуволны. Таким образом, процесс усиления входного сигнала происходит в два такта. КПД двухтактного трансформаторного усилителя по сравнению с однотактным увеличивается примерно в 1,5 раза и достигает максимального значения 0,785. Из-за нелинейности начального участка входной характеристики возникают нелинейные искажения (рис. 67, б). Если подать на базу транзисторов небольшое напряжение смещения Uсм, то нелинейные искажения можно свести к минимуму (рис. 67, в). Бестрансформаторные усилители мощности позволяют упростить схемы усилителей мощности за счет исключения крупногабаритных трансформаторов. Наибольшее распространение получили две схемы бес трансформаторных усилителей мощности: на транзисторах разного типа проводимости и на транзисторах одного типа проводимости (рис. 68). Рис. 68. Бестрансформаторный усилитель мощности на транзисторах разной проводимости (а) и одного типа проводимости (б). В каждый полупериод входного напряжения ток формируется одним из транзисторов. Усилитель (б) используется, как правило, в импульсных схемах. Операционные усилители (ОУ) Операционный усилитель – это многокаскадный усилитель постоянного тока с большим коэффициентом усиления. Для идеального операционного усилителя KU, Rвх, Rвых 0, f . ОУ имеет два или три каскада. Первым каскадом является дифференциальный усилитель, вторым – усилитель напряжения и последним – усилитель мощности. Питание ОУ производится от двух разнополярных источников питания. ОУ имеет два входа (прямой и инверсный) и один выход, а также ряд дополнительных выводов для балансировки и для коррекции АЧХ. Условное графическое изображение ОУ приведено на рис. 69. Рис. 69. Графическое изображение ОУ Выходное напряжение связано с входным напряжением Uвх1 и Uвх2 соотношением: где КU0 – коэффициент усиления ОУ по напряжению. Операционные усилители в настоящее время выполняются в виде интегральных схем. Операционный усилитель характеризуется следующими параметрами: -коэффициент усиления по напряжению . -амплитудно-частотная характеристика: • - частота единичного усиления fед – это частота, на которой коэффициент усиления КU0=1; - входное сопротивление Rвх. Для повышения входного сопротивления в первом каскаде могут использоваться полевые транзисторы; - выходное сопротивление Rвых обычно составляет сотни Ом; - входные токи Iвх(-) и Iвх(+) - это токи, протекающие по входным шинам; - выходной ток Iвых - максимальное значение выходного тока ОУ, при котором гарантируется его работоспособность. - скорость нарастания выходного сигнала V – характеризует частотные свойства усилителя при его работе в импульсных схемах. Измеряется в вольтах/микросекунду; - напряжение смещения Uсм. Численно напряжение смещения определяется как напряжение, которое необходимо приложить ко входу усилителя для того, чтобы его выходное напряжение было равно “0”. Обычно Uсм от единиц микровольт до десятков милливольт; - мощность (или ток) потребления; - дрейф напряжения смещения Uсм/градус; - дрейф разности входных токов Iвх/градус; - коэффициент подавления синфазных помех. Кроме перечисленных выше параметров ОУ характеризуются целым рядом предельно-допустимых основных эксплуатационных параметров. Классификация ОУ. Все операционные усилители имеют либо внутреннюю коррекцию АЧХ, либо внешнюю. В последнем случае к выводам ОУ подключаются внешние пассивные элементы. Некоторые ОУ имеют защиту от короткого замыкания. В зависимости от назначения ОУ можно подразделить на пять групп: Универсальные ОУ (общего применения) – имеют средние характеристики, небольшую стоимость и применяются в большинстве приборов. Прецизионные ОУ используются для усиления малых сигналов в информационно-измерительной аппаратуре. Такие ОУ должны иметь большой коэффициент усиления, малый уровень шумов, малые значения напряжения смещения, дрейфа напряжения смещения и дрейфа разности токов. Прецизионные ОУ строятся обычно на принципе модуляции-демодуляции. Например ОУ К140УД21, К140УД24 и др. Быстродействующие ОУ используются для преобразования высокочастотных сигналов. Они характеризуются высокой скоростью нарастания выходного сигнала, малым временем установления, высокой частотой единичного усиления fед. Микромощные ОУ – отличаются минимальными потребляемыми мощностями. Потребляемый ток иногда можно регулировать с помощью внешнего резистора. Поэтому такие ОУ иногда называются программируемыми. Многоканальные ОУ – представляют собой несколько ОУ (обычно 2 или 4), размещенных в одном корпусе. Применяются для снижения массогабаритных показателей. Например, К140УД20, К1401УД1, К1401УД2. Активные фильтры – используются для формирования частотной характеристики заданного типа. Активные фильтры представляют собой ОУ, в обратную связь которого включены частотозависимые элементы. Они подразделяются на фильтры низкой частоты, фильтры ВЧ, полосовые фильтры, режекторные (заградительные) фильтры. Для решения конкретных задач в настоящее время разработано множество разнообразных активных фильтров. Наиболее распространенными являются фильтры Чебышева, Баттерворда и Бесселя. В зависимости от количества частотозависимых цепочек RC активные фильтры бывают фильтрами первого, второго, третьего и т.д. порядка. Аналоговые компараторы Аналоговые компараторы предназначены для сравнения двух аналоговых сигналов между собой или одного входного аналогового сигнала с заданным эталонным уровнем. Компараторы представляют собой специализированные ОУ с дифференциальным входом и высоким коэффициентом усиления и быстродействием без обратной связи. Обычно они изготовляются в виде интегральных схем. На входы компаратора поступают аналоговые сигналы, а с выхода снимаются напряжение +Un или -Un , т.е. снимается “0” или “1”. Основными параметрами компаратора являются: чувствительность, быстродействие и нагрузочная способность. Компараторы бывают однопороговые и двухпороговые. На рис.81 представлена схема однопорогового компаратора и его передаточная характеристика. Рис. 81. Однопороговый компаратор (а) и его передаточная характеристика (б) На рис.82 приведена схема двухпорогового компаратора, представляющая собой триггер Шмитта. Компаратор (Рис. 82) охватывается положительной обратной связью через делитель напряжения R1, R2. Меняя соотношение делителя R1R2, можно изменять напряжение срабатывания Uпор. Рис. 82. Двухпороговый компаратор (а) и его передаточная характеристика (б). В качестве компараторов используются микросхемы серий К521, К554, К597, К1401. Микросхема К521СА3 – является прецизионным компаратором со стробированием и балансировкой. Микросхема К521СА1 представляет собой два автономных компаратора с одним общим выходом. Микросхема может использоваться для сравнения двух аналоговых сигналов. Микросхема К1401СА1 относится к многоканальным. Здесь в одном корпусе располагаются четыре компаратора. К импульсным устройствам относятся мультивибраторы, триггеры, одновибраторы, блокинг-генераторы, одновибраторы генераторы линейно-изменяющегося напряжения. Мультивибратор – это электронный узел для формирования импульсов прямоугольной формы с требуемыми параметрами. Он представляет собой двухкаскадный резистивный усилитель со 100% положительной обратной связью. На рис.89 представлена схема мультивибратора, выполненная на транзисторах. а) б) Рис. 89. Схема мультивибратора (а) и временная диаграмма его работы (б). Элементами положительной обратной связи являются конденсаторы Сб1 и Сб2, которые соединяют коллектора транзисторов VT1, VT2 с базами транзисторов VT2, VT1. В мультивибраторе генерирование импульсов происходит сразу же после включения питания (рис.89 б). Пусть в момент времени t1 транзистор VT1 закрывается, а транзистор VT2 открывается. На базе VT2 напряжение Uб2>0, а на базе VT1 Uб1<0 (Uб1= -Un). Емкость Сб1 начинает разряжаться через открытый транзистор VT2. Ток ig2, а следовательно, и напряжение на Rб1 уменьшается по экспоненциальному закону. В момент времени t2 напряжение Uб1 будет положительным и транзистор VT1 будет открываться. При этом появляется ток в коллекторной цепи транзистора VT1 и Uk1, Uб2, Uk2. Происходит лавинообразный процесс, при котором транзистор VT1 открывается, а транзистор VT2 закрывается. Далее начинается процесс разряда емкости Сб2 через открытый транзистор VT1. В момент времени t3 произойдет следующий переход и т.д. Длительность формируемых импульсов определяется постоянной времени RбCб. Для симметричного мультивибратора: Rg1=Rg2; Cg1=Cg2; T=1,4RgCg. Длительность переднего фронта формируемых импульсов равна tф=2,2CбRk. Обычно Rg>3Rk. Мультивибратор может быть построен на базе ОУ с положительной и отрицательной обратными связями. а) б) Рис. 90. Схема мультивибратора на ОУ (а), временная диаграмма его работы (б) Здесь ОУ выполняет роль инвертирующего компаратора напряжения . При переключении схемы напряжения на инверсном входе ОУ изменяется и конденсатор С перезаряжается до напряжения где Umax ≈ Un – максимальное напряжение на выходе ОУ. Затем вновь происходит переключение ОУ. Период следования импульсов зависит от величины положительной обратной связи и от элементов С и Rоос. С емкости С можно снимать пилообразное напряжение. Одновибратор (ждущий мультивибратор) имеет одно устойчивое состояние и предназначен для формирования прямоугольных импульсов определенной длительности. В исходном состоянии транзистор VT1 закрыт, а VT2 открыт за счет положительного напряжения, поступающего на базу VT2 через резистор Rg. Запуск схемы, производится импульсом положительной полярности, поступающим на базу транзистора VT1. При этом транзистор VT1 открывается, по нему протекает ток Ik1, напряжение Uk1, напряжение Uб2, напряжение Uk2, напряжение Uб1. Следовательно, из-за положительной обратной связи через конденсатор Cg транзистор VT1 открывается и переходит в режим насыщения, а транзистор VT2 закрывается. После этого начинается разряд емкости Cg через Rg и открытый транзистор VT1. Напряжение на базе VT2 Uб2 уменьшается по экспоненциальному закону и в момент времени t1 (Uб2>0) произойдет обратный перепад напряжения. Длительность формируемого импульса TU: а) б) Рис. 91. Схема одновибратора (а) и его временная диаграмма работы (б). Источники вторичного электропитания (ИВП) Источники вторичного электропитания – это электронные устройства, предназначенные для преобразования энергии первичного источника электропитания, в электрическую энергию с заданными техническими характеристиками. Первичными источниками электропитания могут быть: промышленная сеть переменного тока, автономные источники переменного или постоянного тока, аккумуляторы, химические батареи и т.д. К источникам вторичного напряжения относятся, как правило, источники постоянного тока для питания электронной аппаратуры. В общем случае ИВП состоят из нескольких функционально законченных блоков, а именно: трансформатора для согласования напряжений, выпрямителя, сглаживающего фильтра, стабилизатора напряжения. Стабилизатор напряжения в ряде случаев может отсутствовать. На рисунке 95 приведены структурные схемы ИВП. Рис. 95. Структурные схемы ИВП. Наиболее распространена схема (а), которая включает в себя трансформатор, выпрямитель, фильтр и стабилизатор напряжения. Схема отличается простотой и надежностью, однако имеет большие массогабариты из-за размеров силового трансформатора. Этот недостаток отсутствует у схемы, изображенной не рисунке (б), в которой первичное напряжение (сеть) сначала выпрямляется и поступает на генератор высокой частоты (30¸100) кГц. Генератор нагружен на трансформатор и далее, как и в схеме (а), идут выпрямитель, фильтр и стабилизатор напряжения. Благодаря высокой частоте размеры и вес трансформатора и фильтров будут значительно меньше. Существуют другие структурные схемы ИВП. К основным параметрам ИВП относятся: номинальные уровни входного Uвх.ном. и выходного Uвых.ном. напряжений; предельные отклонения входного и выходного напряжений от номинальных значений; коэффициенты нестабильности выходного напряжения и тока: где Uвх –изменение входного напряжения, Uвых – изменение выходного напряжения, Iвых – изменение выходного тока; выходная мощность (или выходной ток); коэффициент пульсации где Umi – амплитуда основной гармоники выпрямительного тока. Выпрямители предназначены для преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока. В зависимости от источника первичного электропитания выпрямители бывают однофазные и трехфазные. Кроме того, выпрямители могут быть однополупериодные и двухполупериодные. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя приведена на рисунке 96. Рис. 96. Схема однополупериодного выпрямителя (а) и временная диаграмма его работы (б). На вход выпрямителя поступает синусоидальное напряжение … В интервале времени от 0 до T/2 диод открыт и ток в нагрузке повторяет форму входного согнала. В интервале времени от Т/2 до Т диод VD закрыт. Средний выпрямительный ток в нагрузке Uн.ср. равен: Учитывая, что , имеем Uн.ср=0,45Uдейст.. Аналогично получим Iн.ср.=0,318Imax=0,45Iдейст.. Однополупериодные выпрямители отличаются простотой, но имеют низкую эффективность и высокий коэффициент пульсации. Частота пульсаций равна частоте выпрямляемого напряжения. Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя приведена на рисунке 97. Рис. 97. Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой (а) и мостового (б) и его диаграмма работы (в). Здесь диоды работают попеременно в каждый полупериод. Средний выпрямительный ток в нагрузке равен: Частота пульсации здесь в два раза выше, а коэффициент пульсации в два раза меньше e=0,67. Схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой (рис.97 а) имеет два диода, однако требует двух обмоток трансформатора. Кроме того, обратное напряжение на диодах равно удвоенному максимальному входному напряжению Uобр.диода=2Umax. Эти недостатки отсутствуют у мостовой схемы (рис.97 б), но здесь четыре диода и КПД такого выпрямителя ниже. Схема трехфазного однополупериодного выпрямителя приведена на рисунке 98. Рис. 99. Схема трехфазного двухполупериодного выпрямителя (схема Ларионова) Схема содержит 6 диодов. Для обеспечения тока в нагрузке в схеме Ларионова используются обе полуволны питающего трехфазного напряжения. Поэтому выпрямленное напряжение Uн отличается более высоким качеством. Для рассматриваемого выпрямителя: Частота переменной составляющей выходного напряжения в шесть раз превосходит частоту входного сигнала. Коэффициент пульсации выходного напряжения e=0,057. Фильтры Фильтры применяются для уменьшения напряжения пульсации на выходе выпрямителя. В настоящее время наиболее распространенными являются: емкостной фильтр, индуктивный фильтр и П-образный фильтр. Емкостной фильтр состоит из конденсатора, подключаемого параллельно нагрузке. Для фильтра необходимо выполнить условие: ; где wc – сопротивление емкости. Индуктивный фильтр представляет собой дроссель низкой частоты, включенный между выпрямителем и нагрузкой. Для обеспечения большого коэффициента сглаживания необходимо, чтобы XL >> RН . Недостатком индуктивного фильтра являются большие габариты и вес дросселя. Г-образный фильтр сочетает в себе свойства индуктивного и емкостного фильтров. Его можно рассматривать как делитель напряжения с частотно-зависимым коэффициентом передачи. Для фильтра необходимо, чтобы . Г-образные фильтры применяются в выпрямителях большой и средней мощности. П-образные фильтры применяются в выпрямителях с большим внутренним сопротивлением. Они сложные, дорогие, но обеспечивают высокий коэффициент сглаживания. а) б) в) г) Рис. 100. Варианты сглаживающих фильтров: емкостной (а), индуктивный (б), Г- образный (в), П- образный(г). Стабилизаторы напряжения Стабилизатор напряжения – это электронное устройство, которое обеспечивает постоянство входного напряжения или тока нагрузки. Стабилизаторы напряжения подразделяются на параметрические, компенсационные и импульсные. Основными параметрами стабилизаторов являются: -выходное напряжение Uвых; -выходной ток Iвых; -пределы изменения входного напряжения Uвх; -рассеиваемая мощность Pрас; - коэффициент нестабильности по напряжению KHV и току K HI : Параметрические стабилизаторы напряжения строятся на основе стабилитронов или стабисторов (рис.101). а) б) Рис. 101. Схема параметрического стабилизатора напряжения (а), вольт- амперная характеристика (б). Схема состоит из балластного резистора Rб и стабилитрона VD. При изменении входного напряжения Uвх напряжение на выходе стабилизатора будет изменятся незначительно, т.к. оно определяется малоизменяющимся обратным напряжением стабилитрона Uстаб.. При этом будет только изменятся ток через стабилитрон Iстаб.. Расчет стабилизатора сводится к тому, чтобы выбрать величину сопротивления Rб, при котором ток через стабилитрон лежал в пределах: Iст.minU2), тогда напряжение на выходе ДА1 положительное, транзистор VT2 открывается, а транзистор VT1 запирается. Ток дросселя, протекая через диод VD1, отдает накопленную энергию в нагрузку. По мере уменьшения энергии дросселя выходное напряжение стабилизатора уменьшается и в момент времени t2 компаратор запирает транзистор VT2. При этом открывается транзистор VT1 и на вход LфСф фильтра прикладывается напряжение близкое к Uвх. Ключевые стабилизаторы напряжения имеют небольшие габаритные размеры. Литература 1. Электротехника и электроника: Учебник в 3-х книгах. / Под ред. В. Г. Герасимова. Кн. 1. Электрические и магнитные цепи. - М.: Энергоатомиздат, 1996. - 287 с. 2. Электротехника и электроника: Учебник в 3-х книгах. / Под ред. В. Г. Герасимова. Кн. 2. Электромагнитные устройства и электрические машины. - М.: Энергоатомиздат, 1997. - 272 с. 3. Электротехника и электроника: Учебник в 3-х книгах. / Под ред. В. Г. Герасимова. Кн. 3. Электрические измерения и основы электроники. – М.: Энергоатомиздат, 1998. – 432 с. 4. Рекус Г. Г., Белоусов А. И. Сборник задач по электротехнике и основам электроники. – М.: Высшая школа, 1991. – 416 с. (НТБ –217 экз.). – М.: Высшая школа, 2001. – 416с. 5. Федотов И. П. Основы электроники. - Л.: Энергоатомиздат, 1990. – 288 с. 6. Глазенко Т. Е., Прянишников В. А. Электротехника и основы электроники. – М.: Высшая школа, 1996