Реферат Курсовая Конспект
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА и ЭЛЕКТРОНИКА - раздел Философия, Министерство Образования И Науки Российской Федерации Федеральное Го...
|
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»
Н.В.НЕФЕДОВА, О.М.БОЛЬШУНОВА, О.Б.ЛАКОТА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА и ЭЛЕКТРОНИКА
Учебное пособие
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
УДК 621.3(075.80)
ББК 31.2 + 32.85
Н580
Изложены основы теории электрических и магнитных цепей, электрических машин постоянного и переменного тока, электронных устройств. Рассматриваются методы расчета и анализа электрических и электронных цепей, общие вопросы электробезопасности.
Настоящее учебное пособие составлено в соответствии с программой дисциплины «Электротехника и электроника» и предназначено для студентов всех форм обучения неэлектротехнических специальностей.
Научный редактор проф. А.Е.Козярук
Рецензенты: кафедра робототехники и автоматизации производственных систем СПбГЭТУ «ЛЭТИ»; инженер – проектировщик, к.т.н. Соловьев В.А. (ОАО КБ «В и ПС).
Нефедова Н.В.
Н580. Электротехника и электроника: Учеб. пособие / Н.В.Нефедова, О.М. Большунова, О.Б. Лакота; Национальный минерально-сырьевой университет «Горный». СПб, 2013.168 с.
ISBN 5-94211-090-5.
УДК 621.3(075.80)
ББК 31.2 + 32.85
ISBN 5-94211-090-5 | Ó Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», 2013 |
ВВЕДЕНИЕ
Развитие электротехники и ее широкое проникновение во все области современного общества связано с удобствами преобразования и передачи электрической энергии, а также преобразования и передачи сигналов и цифровой информации.
Электричество является основой развития всех отраслей техники, базой для развития промышленности, транспорта, сельского хозяйства.
Основная доля электрической энергии вырабатывается на электростанциях, где энергия первичных носителей (уголь, нефть, газ) превращается в электрическую, которую удобно передавать на большие расстояния воздушными и кабельными линиями, преобразовывать на местах в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую). С помощью электрических сигналов (телесигнализация, телеуправление, телеконтроль) удобно передавать и обрабатывать информацию посредством электронных устройств и приборов, а также вычислительной техники, содержащей интегральные микросхемы.
В развитие электротехники внесли большой вклад такие ученые как Фарадей, Вольта, Ампер, Эрстед, Ленц, Максвелл, Герц, А.С.Попов, М.О. Доливо-Добровольский и др.
В первой части учебного пособия представлены свойства элементов и законы электрических линейных цепей, особенности трехфазных и нелинейных цепей, процессы в цепи при воздействии на нее изменяющихся напряжений, а также принцип работы и характеристики электрических машин переменного и постоянного тока.
Немаловажное значение в электротехнических устройствах отводится нелинейным элементам (диодам, транзисторам, логическим элементам). Поэтому во второй части пособия рассмотрены принципы работы и структура полупроводниковых элементов и устройств на их базе (стабилизаторов, выпрямителей, усилителей).
Часть 1.ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
Основные понятия электрических цепей
Электрической цепью называется совокупность электротехнических устройств, образующих путь для прохождения электрического тока. К электротехническим устройствам относятся:
· источники электромагнитной энергии (генераторы) или источники электрических сигналов (гальванические элементы, аккумуляторы);
· приемники или потребители;
· устройства передачи и преобразования электрической энергии (кабели, провода и трансформаторы).
Источники электрической энергии относятся к группе активных элементов электротехнических устройств. Если R0 = 0 и электродвижущая сила (ЭДС) Е = const, то источник называется идеальным. Внутреннее сопротивление источника тока Rвн во много раз больше сопротивления нагрузки. Аккумуляторная батарея по своим параметрам близка к идеальному источнику ЭДС.
К группе пассивных элементов относятся: активное сопротивление R, индуктивность L и емкость С.
Условные обозначения источников электрической энергии и элементов электрических цепей:
Условное обозначение | Элемент |
Идеальный источник ЭДС Е – электродвижущая сила, Е = const R0 = 0 – внутреннее сопротивление | |
Идеальный источник тока I = const Rвн – внутреннее сопротивление источника тока, Rвн >> Rнаг | |
Активное сопротивление R = const | |
Индуктивность L = const | |
Емкость C = const |
В электротехнических устройствах одновременно протекают три энергетических процесса:
1. В активном сопротивлении в соответствии с законом Джоуля – Ленца происходит преобразование электрической энергии в тепло (P, I – мощность и ток в цепи постоянного тока) или = u2g (р, i, u – мгновенные значения активной мощности, тока и напряжения в цепи переменного тока, g – активная проводимость или величина, обратная сопротивлению). Напряжение на сопротивлении u = iR. Мощность активного сопротивления всегда положительна. Величина R любого приемника, строго говоря, не остается постоянной при протекании по нему тока, так как сопротивление зависит от температуры,
.
Для практических расчетов в электрических цепях величину R можно принимать постоянной. В этом случае зависимость напряжения на сопротивлении R от силы тока (вольт-амперная характеристика) будет называться линейной. Электрические цепи, в которые включены постоянные по величине сопротивления, также будут линейными.
2. В магнитном поле катушки накопление энергии происходит по закону
, ,
где Yк – потокосцепление; Lк – индуктивность или коэффициент пропорциональности между током и потокосцеплением; iк – ток через катушку.
Потокосцеплением самоиндукции Y цепи называется сумма произведений магнитных потоков, обусловленных только током в этой цепи, на число витков, с которыми они сцеплены.
Если все витки пронизываются одним и тем же магнитным потоком Ф, то потокосцепление равно произведению магнитного потока на число витков .
В СИ потокосцепление измеряется в веберах, индуктивность в генри.
Зависимость потокосцепления от тока может быть постоянной (линейная зависимость) или нелинейной.
При изменении тока изменяется потокосцепление и в катушке наводится ЭДС
.
Знак (–) показывает, что ЭДС противодействует изменению тока в цепи.
32Напряжение и мощность индуктивности равны:
.
Мощность может быть как положительной (при намагничивании), так и отрицательной (при размагничивании).
3. Накопление энергии в электрическом поле конденсатора
, ,
где qк – заряд; Uк – напряжение; Ск – емкость конденсатора.
Емкость – отношение электрического заряда к разности потенциалов между электродами, измеряется в фарадах.
Если изменяется напряжение источника в цепи конденсатора, то происходит перераспределение зарядов на его пластинах, что приводит к возникновению тока в цепи:
.
Мощность конденсатора положительна при его заряде и отрицательна при разряде конденсатора.
Мгновенные значения напряжения и тока характеризуют режим работы устройства.
1.2.Топологические понятия И Законы электрических цепей
Участок электрической цепи, по которому проходит ток одного и того же значения и направления, называется ветвью. Замкнутая электрическая цепь, образованная одной или несколькими ветвями, называется контуром, а место соединения трех или более ветвей – узлом. На схеме узел изображается точкой. Графическое изображение цепи называется электрической схемой.
Электрические цепи классифицируются: по роду тока (постоянный и переменный); по характеру элементов (линейные и нелинейные); по схемам соединения (простые и сложные); по изображению (монтажные, принципиальные и замещения).
Основными законами при расчете электрических цепей являются:
1.Закон Ома: , , .
2.Первый закон Кирхгофа – закон баланса токов в узле. Алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна 0, = 0. Электрический заряд в узле не накапливается.
3.Второй закон Кирхгофа. Алгебраическая сумма ЭДС источников питания в любом контуре равна алгебраической сумме падений напряжения на элементах этого контура, .
4.Закон Джоуля–Ленца.Энергия, выделяемая на сопротивлении R при протекании по нему тока I, пропорциональна произведению квадрата силы тока и величины сопротивления: .
1.3.Режимы работы и методы расчета электрических цепей
В промышленности применяются два рода тока – постоянный и переменный. Под постоянным понимают электрический ток не изменяющийся во времени.
Если ток постоянный, то отсутствует явление самоиндукции и напряжение на катушке индуктивности равно нулю,
так как i = const.
Если рассматривать конденсатор как идеальную емкость, то в цепи постоянного тока эта ветвь равносильна разомкнутой.
Постоянный ток через емкость не проходит.
Таким образом, в цепи постоянного тока остаются только источники ЭДС или тока – активные элементы и приемники резисторы – пассивные элементы.
Простыми цепями постоянного тока называются цепи с одним источником при последовательном (рис.1), параллельном (рис.2) и смешанном (рис.3) соединении приемников.
Согласно схеме на рис.1:
E = IR1 + IR2 + ××× + IRn = I(R1 + R2 + ××× + Rn) = IRэкв; Rэкв = SRi.
При параллельном соединении приемников напряжение на всех приемниках одинаково. По закону Ома токи в каждой ветви:
; ; .
По первому закону Кирхгофа общий ток
; ;
Смешанное соединение – комбинация первых двух соединений, где параллельное соединение может быть преобразовано к последовательному:
.
Сложной электрической цепью называется цепь, содержащая несколько источников и которую нельзя свернуть до простой цепи последовательного или параллельного соединений.
Расчет таких цепей (рис.4) ведется по уравнениям Кирхгофа.
Для расчета сложных цепей, содержащих несколько источников ЭДС или источников тока, используют методы контурных токов, узловых потенциалов, эквивалентного генератора и др.
Контрольные вопросы
1.На что расходуется электрическая энергия, потребляемая резистором?
2.Какие законы описывают равновесие процессов в электрической цепи?
3.Какие законы используются для расчета цепей при их последовательном и параллельном соединениях?
4.Какик элементы относятся к пассивным?
5.Методы расчета сложных электрических цепей.
Контрольные вопросы
1.Какой функцией описываются электрические переменные параметры?
2.Чему равна разность начальных фаз напряжения и тока на: индуктивности, емкости, активном сопротивлении?
3.Назовите параметры характеризующие синусоидальную функцию.
4.Формула связи синусоидальной функции с ее векторным изображением.
1.6.метод комплексных амплитуд для расчета цепей переменного тока
Для цепи переменного тока с последовательным соединением R, L, C (рис.13) дифференциальные уравнения по второму закону Кирхгофа имеют вид:
; .
|
Расположим под углом yu относительно оси абсцисс вектор Um, длина которого в масштабе равна амплитуде изображаемой величины. Положительные углы будем откладывать в направлении против часовой стрелки.
Проекции вектора на вертикальную ось мнимых величин в комплексной плоскости равны мгновенному значению напряжения.
Система векторов на комплексной плоскости называется векторной диаграммой. Вектора вращаются относительно центра координат с одной и той же скоростью и поэтому, относительно друг друга их положение не меняется. Векторная диаграмма изображается неподвижной в заданный момент времени, определяемый начальной фазой какой-либо величины, например, для идеальных элементов R, L, C (рис.15).
Сложение двух функций в тригонометрической форме трудоемко, но легко производится в векторной форме (рис.16).
В расчетах применяют три формы записи комплексных величин:
1)алгебраическая ;
2) тригонометрическая
;
; ;
3) показательная, учитывая ;
; ; .
Символ j перед мнимой частью комплексного числа в алгебраической форме означает, что мнимая часть повернута по отношению к вещественной на угол 90° в положительном направлении (против часовой стрелки).
Переходы из одной формы записи в другие:
,
где , ;
,
где , .
Представленная ранее система дифференциальных уравнений для цепи переменного тока с R, L, C в комплексном виде записывается следующим образом:
;
;
.
Используя выражения , , запишем выражение для полного напряжения цепи:
,
где – комплексное сопротивление; – комплексная амплитуда напряжения; – комплексная амплитуда тока.
При замене амплитудных значений на действующие получим закон Ома в комплексной форме:
.
Первый закон Кирхгофа в комплексной форме:
.
Второй закон Кирхгофа в комплексной форме:
.
Векторная диаграмма напряжений для цепи (см. рис.13) будет представлять собой прямоугольный треугольник (рис.17),
|
; .
Треугольники токов, сопротивлений (рис.18) и мощностей (рис.19) строятся аналогично. Так модуль сопротивления цепи
; ;
; ; ; .
3 |
Полная мощность S = UI; активная мощность Р = UIcosj; реактивная мощность Q = UIsinj, где ; ; ; ; ; .
В треугольниках напряжений, токов, сопротивлений и мощностей угол j сохраняет свое значение.
При параллельном соединении ветвей (рис.20) их проводимости складываются в комплексной форме:
; ; ; .
Общий ток по первому закону Кирхгофа:
.
1.7. Резонансные явления в электрических цепях
Идеальное активное сопротивление от частоты не зависит (рис.21), индуктивное сопротивление линейно зависит от частоты, емкостное сопротивление зависит от частоты по гиперболическому закону: R = const, XL = wL, XС =.
|
Резонанс напряжений
Резонансом в электрических цепях называется режим участка электрической цепи, содержащей индуктивный и емкостной элементы, при котором разность фаз между напряжением и током равна нулю (j = 0). При последовательном соединении ( рис.13) возникает резонанс напряжения. Режим резонанса может быть получен при изменении частоты w питающего напряжения или изменением параметров элементов L и C. Модуль тока в такой цепи будет определяться по выражению:
.
Знаменатель данного выражения есть модуль комплексного сопротивления, который зависит от частоты. При достижении некоторой частоты реактивная составляющая сопротивления исчезает, модуль сопротивления становится минимальным, ток в данной схеме возрастает до максимального значения, (рис.22), причем вектор тока совпадает с вектором напряжения по фазе:
; j = 0;
4
;
,
где w0 – резонансная частота напряжения, определяемая из условия
; .
Тогда
, .
Волновое или характеристическое сопротивление последовательного контура
.
Отношение напряжения на индуктивности или емкости к напряжению на входе в режиме резонанса называется добротностью контура:
.
Добротность контура представляет собой коэффициент усиления по напряжению и в катушках индуктивности может достигать сотен единиц:
.
При >> R напряжение на индуктивности (или емкости) может быть гораздо больше напряжения на входе, что широко используется в радиотехнике. В промышленных сетях резонанс напряжений является аварийным режимом, так как увеличение напряжения на конденсаторе может привести к его пробою, а рост тока к нагреву проводов и изоляции.
Резонанс токов
Резонанс токов может возникнуть при параллельном соединении (рис.23) реактивных элементов в цепях переменного тока, где
; ;
.
|
При определенной частоте, называемой резонансной, реактивные составляющие проводимости могут сравняться по модулю и суммарная проводимость будет минимальной. Общее сопротивление при этом становится максимальным, общий ток минимальным, вектор тока совпадает с вектором напряжения. Такое явление называется резонансом токов (рис.24).
При g << bL ток в ветви с индуктивностью гораздо больше общего тока, поэтому такое явление называется резонансом токов и широко используется в силовых сетях промышленных предприятий для компенсации реактивной мощности. Волновая проводимость
.
ВЫВОДЫ
В цепях переменного тока для расчета режимов работы цепи используется метод комплексных амплитуд, позволяющий записать законы изменения параметров с использованием комплексных чисел. Различный характер изменения частотных характеристик пассивных элементов приводит к возникновению резонансных режимов.
Контрольные вопросы
1.Назвать характер изменения частотных характеристик пассивных элементов.
2.Показать связь между тремя формами записи комплексных чисел.
3.При какой схеме соединения возникает резонанс напряжений, а при какой резонанс токов?
4.Какую роль играет добротность в режимах резонанса?
5.В чем заключается отрицательное действие резонанса напряжений в промышленных сетях?
Пример
Определить токи и напряжения на участках цепи рис.30,а при
U0 = 100В и R =10 Ом. Вольтамперные характеристики нелинейных элементов заданы на графике рис.30,б.
Для решения задачи составим уравнения цепи
I = I1+ I2 и U(I) = U0 - RI.
На основании первого уравнения можно заменить два параллельно включенных нелинейных элемента одним эквивалентным. Его вольт - амперную характеристику можно получить сложением абсцисс заданных характеристик, рис.30,б.
В результате такого преобразования получаем цепь с последовательно соединенными линейным и нелинейным сопротивлениями, рис.30,а. Ток I и напряжение U на нелинейном элементе теперь можно определить с помощью второго уравнения через координаты точки пересечения прямой U0 - RI и ВАХ нелинейного элемента. Пересечение характеристики найденного напряжения с ВАХ первого и второго нелинейных сопротивлений даст искомые токи I1 и I2 .
К нелинейным элементам также относятся магнитные цепи и полупроводниковые приборы (диоды, стабилитроны).
Контрольные вопросы
1.Назовите типы ВАХ нелинейных элементов.
2.Укажите разницу между статическим и динамическим сопротивлениями.
3.Какие методы используются для расчета цепей с нелинейными сопротивлениями?
Из выражений следует, что в природе соблюдается принцип непрерывности во времени потокосцепления индуктивности и электрического заряда емкости. Отсюда вытекают два закона коммутации.
Контрольные вопросы
1.С каким процессом связаны переходные процессы?
2.Какие процессы лежат в основе законов коммутации?
3.Что показывает постоянная времени переходного процесса?
4.По какому закону изменяются свободные составляющие переходного процесса?
1.12. Трехфазные цепи
Трехфазные цепи – есть совокупность однофазных, в которых действуют синусоидальные токи и напряжения одной частоты, отличающиеся по фазе.
В электротехнике термин фаза имеет два значения: понятие, характеризующее стадию периодического процесса, и наименование однофазных цепей, образующих многофазную систему.
В трехфазных системах токи (напряжения) фаз сдвинуты на одну треть периода, т.е. на 120°.
Рассмотрим работу простейшего трехфазного электромагнитного генератора. Он состоит из статора, внутри которого расположены три обмотки, сдвинутые относительно друг друга на 120°, и мощного электромагнита с обмоткой, получающей питание от источника постоянного тока. При вращении магнита в обмотках индуктируются ЭДС, сдвинутые во времени также на 120°.
Соединение фаз звездой
Ниже приведены выражения для ЭДС фаз А, В, С и их векторная диаграмма при соединении обмоток звездой (рис.35):
; ;
; ;
;;
еА + еВ + еС=0; .
Рассмотрим схему соединения источника и нагрузки при включении их звездой ( рис.36).
На рис.36 – действующие значения фазных напряжений (напряжения между началом и концом соответствующей фазы); – действующие значения фазных токов – токи в фазах приемника; – действующие значения линейных напряжений (напряжения между началами двух соседних фаз); – действующие значения линейные токи – токи в линиях.
Для схемы соединения звездой очевидно равенство фазных и линейных токов. Независимо от характера нагрузки:
; ;
; ; , .
; ;
.
Из векторной диаграммы (рис.37) при равномерной (симметричной) нагрузке следует:
; ; ;
; ; .
При неравномерной (несимметричной) нагрузке ZA ¹ ZB ¹ ZC
между точками 0 и 01, рис.38 возникает напряжение несимметрии:
;
; ; .
При симметричной нагрузке . При несимметричной нагрузке напряжения фаз приемника неодинаковы по величине и по фазе, рис.39.
Для обеспечения симметричной системы напряжений во всех фазах и независимой работы отдельных приемников используется схема звезда с нулевым проводом (рис.40) или четырехпроводная система.
Поскольку узлы 001 соединены нулевым проводом, напряжение между ними равно нулю. При несимметричной нагрузке фазные и линейные напряжения остаются постоянными.
Четырехпроводная система позволяет получать одновременно два напряжения – фазное и линейное, например, 220 В и 380 В.
Соединение нагрузки треугольником
Рассмотрим схему соединения треугольником, рис.41.
.
Связь между линейными и фазными токами показана на рис.42.
; ; ; .;
Таким образом, для симметричной трехфазной системы справедливы соотношения:
в схеме соединения звезда:
; Iл = Iф;
UAB = UBC = UCA; IA = IB = IC;
в схеме треугольником
IAB = IBC = ICA = Iф; ;
UAB = UBC = UCA = Uф = Uл; Uл = Uф.
Используя метод преобразования, всегда можно перейти от схемы соединения «звезда» к схеме соединения «треугольник» и наоборот, рис.43. Преобразование будет эквивалентным, если режим работы остальной части электрической цепи не изменится, то есть токи, притекающие к узловым точкам в той и другой схеме будут одинаковыми, а потенциалы соответствующих узлов будут равны.
|
Эти два условия сводятся к тому, что сопротивления или проводимости между двумя узловыми точками должны быть равны.
Формулы перехода согласно рис.43
от «звезды» к «треугольнику» от «треугольника» к «звезде»
Мощность трехфазной системы
В общем случае мощность трехфазного приемника равна сумме мощностей всех фаз ; .
При симметричной нагрузке справедливы соотношения:
для схемы звездой
; ,
для схемы треугольником
; .
Мощность при симметричной нагрузке:
; ;
.
Для измерения мощности однородной трехфазной нагрузки используется метод двух ваттметров. Схема включения представлена на рис.44.
Для данной схемы независимо от соединения нагрузки можем записать: P3ф = W1 + W2; .
При симметричной нагрузке (модули и фазы сопротивлений нагрузки равны между собой) измерение мощности можнпроизводить одним ваттметром, включенным на фазное напряжение и фазный ток, P3ф = 3W1.
При несимметричной нагрузке требуется измерение тремя ваттметрами, включаемыми в каждую фазу.
ВЫВОДЫ
Рассмотрены режимы работы трехфазных цепей при соединении «звезда» и «треугольник». Выведены основные соотношения токов и напряжений.
Контрольные вопросы
1 Дать определения фазных и линейных параметров.
2.Каким коэффициентом связаны фазные и линейные токи и напряжения?
3.Для чего используется четырехпроводная система?
4.Значение тока в нулевом проводе при симметричной системе?
5.На сколько градусов сдвинуты обмотки в трехфазной системе?
Режимы нейтрали трехфазных электрических сетей
Для обеспечения безопасности при работе с электрооборудованием в трехфазных сетях используются различные соединения нейтрали.
Нейтралью называется место соединения концов фаз источника питания (генератора или трансформатора).
Режимы нейтрали – заземленная нейтраль, изолированная нейтраль, компенсированная нейтраль.
Компенсированная нейтраль
Нейтральная точка соединяется с землей (рис.47) через индуктивное сопротивление ХL, примерно равное емкостному сопротивлению изоляции XC, что приводит к образованию “электрической пробки”, при которой емкостная проводимость сравнивается с проводимостью индуктивной.
Поскольку они соединены параллельно, суммарная проводимость становится равной примерно 0, а это соответствует бесконечно большому сопротивлению. Величина тока, протекающего через тело человека при прикосновении его к фазному проводу в сети с компенсированной нейтралью существенно уменьшается.
Контрольные вопросы
1.Дайте понятие нейтрали.
2.Значение переходного сопротивления устройства заземления.
3.Перечислить схемы соединения нейтрали.
4.Принцип действия защитного заземления.
1.14. МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ
При параллельном соединении в цепи возникает феррорезонанс токов (рис.55).
Резонанс достигается изменением величины приложенного напряжения. Схема используется для стабилизации тока.
ВЫВОДЫ
Из изложенного материала следует, что магнитные цепи также являются нелинейными элементами. На суммарное магнитное сопротивление цепи оказывает влияние наличие зазора. При отсутствии воздушного зазора для создания соответствующей индукции требуется небольшой ток. Анализ магнитных цепей подразумевает решение прямой или обратной задачи.
Контрольные вопросы
1.Какие элементы входят в состав магнитной цепи?
2.Основные величины, характеризующие магнитное поле?
3.На основе какого закона ведется анализ магнитных цепей?
4. Какие параметры магнитной цепи определяются при прямой и при обратной задаче?
5. Каково влияние воздушного зазора на величину тока?
Контрольные вопросы
1.Каково назначение трансформаторов?
2.Какие потери мощности определяются в режиме холостого хода?
3. В каком режиме трансформатора определяются потери в стали?
4.Для чего применяются схемы замещения трансформатора?
5. Чему равен коэффициент трансформации трансформатора напряжения?
Электрические машины
Электрические машины относятся к электротехническим устройствам, предназначенным для привода в действие различных промышленных и бытовых механизмов.
Контрольные вопросы
1.Основные типы роторов асинхронного двигателя?
2.Какая зависимость у асинхронного двигателя называется механической?
3.Почему возникает скольжение в асинхронных двигателях?
4.Способы регулирования частоты вращения в машинах постоянного тока?
Устройства, реагирующие на потенциал корпуса
При возникновении опасных напряжений на корпусе электроустановки срабатывает реле напряжения РН (рис.71,а), включенное между корпусом и землей, размыкает свой нормально замкнутый контакт РН в цепи питания отключающей катушки ОК, которая отключает электроустановку от сети.
В другом варианте (рис. 71,б) при появлении опасного напряжения на корпусе электроустановки срабатывает реле напряжения РН, замыкает свой контакт, вызывая короткое замыкание и перегорание предохранителя, обесточивая тем самым электроустановку.
Электроника – отрасль науки и техники, изучающая: физические явления и процессы в полупроводниковых приборах; электрические характеристики и параметры полупроводниковых приборов; свойства устройств и систем, основанных на применении полупроводниковых приборов.
Основными направлениями развития электроники являются:
Интегральная микроэлектроника – разработка и внедрение методов предельного уменьшения физических размеров элементов микросхемы, что приводит к увеличению функциональных возможностей микросхем, повышению их надежности и быстродействия, снижению энергопотребления.
Функциональная электроника – создается на основе физической интеграции, то есть, когда функциональные свойства диодов, транзисторов реализуются за счет атомарных, межмолекулярных связей.
Оптоэлектроника – основана на использовании процессов преобразования электрических сигналов в оптические и наоборот.
2.2.Полупроводниковые приборы
Выходная проводимость
Для маломощных транзисторов h22 » 10-6 См, а для транзисторов средней и большой мощности h22 = 10-4¸10-6 См. Отметим, что выходную проводимость иногда заменяют выходным сопротивлением Rвых = 1 / h22.
ЭЛЕКТРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ
Общие сведения
Электронным генератором называется устройство, преобразующее энергию источника питания в энергию переменного тока определенной формы и частоты с помощью электронных приборов.
Электронные генераторы находят широкое применение в различных областях техники и в быту. Впервые их начали применять в радиопередающих устройствах для связи и радиовещания. Электронные генераторы используют для решения всевозможных технических задач, таких как высокочастотная закалка и сушка, разупрочнение мерзлых пород, влагометрия. Наконец, электронные генераторы начали использовать и в быту – в качестве примера можно назвать микроволновые печи, обладающие определенными преимуществами при приготовлении пищи.
Электронные генераторы можно классифицировать по различным признакам:
по способу возбуждения – с посторонним возбуждением и самовозбуждением (автогенераторы);
по форме генерируемых колебаний – генераторы гармонических (синусоидальных) колебаний и несинусоидальных (релаксационных) колебаний;
по диапазону генерируемых частот – низкочастотные (до 100 кГц), высокочастотные (100 кГц-100 МГц), генераторы сверхвысоких частот (СВЧ) – свыше 100 МГц, генераторы оптического диапазона.
Электронные генераторы с постоянным возбуждением, по существу, являются избирательными (резонансными) усилителями. Генератор с самовозбуждением называется автогенератором.
По принципу действия автогенераторы можно разделить на три вида:
1) автогенераторы с положительной обратной связью – такие генераторы имеют наибольшее распространение;
2) генераторы с отрицательным сопротивлением, например, построенные на туннельных диодах;
3) автогенераторы, в которых используется устройство, сопротивление которого в процессе работы изменяется скачком (например, электронный прибор в ключевом режиме).
|
Коэффициент усиления по напряжению k = Uвых / Uвх, коэффициент обратной связи b = Uо.с / Uвых; Uо.с – напряжение обратной связи.
Из выражений для k и b следует, что
Uо.с = b Uвых = bk Uвх.
Если за счет подбора b добиться, чтобы bk = 1, то Uо.с = Uвх.
Если при выполнении этих условий отключить напряжение Uвх от постороннего источника и подключить на вход усилителя Uо.с = Uвх, то усилитель будет в тех же условиях, в каких он находился, когда на его вход подавалось напряжение от постороннего источника, и, таким образом, усилитель превращается в автогенератор.
Выполнение условия Uо.с = Uвх. называется выполнением условия баланса амплитуд. Кроме выполнения этого условия для превращения усилителя в автогенератор необходимо также выполнение условия баланса фаз, при котором напряжение Uо.с совпадает по фазе с напряжением Uвх. При этом потери энергии в автогенераторе восполняются через цепь обратной связи от источника питания автогенератора. Колебания на выходе схемы поддерживаются в такт (в фазе) колебаниям, поступающим на вход через цепь обратной связи. При b < 1 / k напряжение на входе через цепь обратной связи окажется слишком малым, и колебания на входе прекратятся. При b > 1 / k напряжение на выходе будет возрастать до тех пор, пока нелинейность вольт-амперной характеристики усилителя не приведет к уменьшению k до значения, при котором будет выполняться условие Uо.с = Uвх.
Если условия баланса амплитуд и фаз выполняются для одной частоты, автогенератор будет генерировать гармонические колебания. Если условия выполняются для полосы частот, то в генераторе будут возникать несинусоидальные колебания.
При использовании в генераторе LC-колебательного контура образуются LC-автогенераторы, работающие на высоких частотах. В случае применения в качестве элементов схемы резисторов и конденсаторов образуются RC-автогенераторы, используемые для генерирования низких частот.
Основные параметры и типы логических
Триггерные устройства
Общие сведения
Триггер- это устройство, имеющее два состояния устойчивого равновесия и способное скачком переходить из одного состояния в другое под воздействием внешнего управляющего сигнала.
В современной электронике триггеры выполняются либо на основе интегральных логических элементов, либо в виде интегральной микросхемы, представляющей собой завершенный функциональный элемент.
Триггер на цифровых интегральных микросхемах имеет в своем составе собственно триггер и логическое управляющее устройство, которое определяет функциональные возможности триггера. Управляющее устройство преобразует поступающую на вход информацию в сигналы, управляющие собственно триггером. Сам триггер можно считать элементом памяти, записывающим полученную информацию.
Триггерное устройство имеет информационные и тактовые (синхронизирующие) входы и два выхода: прямой и инверсный. Состояние триггера определяется выходным сигналом в единичном состоянии или в нулевом.
По способу записи информации триггеры подразделяются на асинхронные и синхронные (тактируемые). В асинхронных триггерах запись информации осуществляется непосредственно с поступлением информационного сигнала на его вход. В синхронных триггерах запись информации происходит при подаче разрешающего (синхронизирующего) импульса по уровню или по фронту 1/0 (0/1). В течение паузы между синхроимпульсами состояние триггера сохраняется при любых изменениях информационных сигналов.
По функциональному назначению триггерные устройства разнообразны. На практике наибольшее применение получили RS-, D-, T-, JK- триггеры. Работу триггера удобно описать с помощью таблицы истинности, выражающей зависимость выходного сигнала триггера в момент времени от входных сигналов и состояния триггера в предыдущий момент времени.
Для асинхронного триггера момент времени наступает, когда под действием входных сигналов и в зависимости от внутреннего состояния в момент времени выходной сигнал принимает значение, соответствующее последующему состоянию. Для синхронного триггера время и означает время до и после прихода синхроимпульса.
ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Заключение
Настоящее учебное пособие соответствует действующей типовой программе по учебной дисциплине «Электротехника и электроника» и предназначенно для студентов , обучающихся по неэлектротехническим специальностям. С учетом специальности и принятой методики обучения последовательность изложения тем и степень их детальзации могут варьироваться .
Одним из путей совершенствования качества подготовки специалистов, эффективности и результативности учебно-воспитательного процесса является задача по усилению самостоятельной работы студентов. С помощью данного учебного пособия студенты получают возможность самоконтролировать изучаемый материал, поскольку в конце каждой главы помещены контрольные вопросы и задачи.
Изучение электротехники и электроники позволит студентам получить знания для изучения последующих специальных дисциплин, связанных с автоматизацией технологическиих процессов, электроснабжением и электрооборудованием соотвествующих отраслей.
СПИСОК сокращений
АД – асинхронный двигатель
АЛУ – арифметическо-логическое устройство
АЦП - аналого-цифровой преобразователь
ВАХ – вольт-амперная характеристика;
КЗ - короткое замыкание
КПД –коэффициент полезного действия
МДС –магнитодвижущая сила
МПТ - машина постоянного тока
ОВ – обмотка возбуждения
ОЗУ оперативное запоминающее устройство
ПЗУ – постоянное запоминающее устройство
ХХ – холостой ход
ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь
ЭДС – электродвижущая сила
Алфавитно-предметный указатель
А
Асинхронный 79
-двигатель 79
Б
база 103
Быстродействие 144
В
Варикап 102
Выпрямитель 115
-однополупериодный 116
-двуполупериодный 117
-электронный 115
Г
Генератор 136
-LC-автогенератор 138
-RC-автогенератор 140
Д
Дешифратор 152
Диод 100
-выпрямительный 101
-полупроводниковый 100
-светодиод 102
-туннельный 102
-фотодиод 103
Дырка 96
З
Закон 7
-Джоуля-Ленца 8
-Кирхгофа 7
-Ома 7
-полного тока 67
Затвор 109
И
Исток 109
Источник 4
-тока 4
-трехфазный 52
-ЭДС 4
К
Коллектор 103
Коэффициент 121
-объединения 144
-пульсации 117
-сглаживания 121
-стабилизации 125
-разветвления 144
Л
Легирование 95
Логические элементы 141
М
Машины 79
- постоянного тока 86
-переменного тока 79
-электрические 79
Магнитная индукция 65
Метод 21
- защиты 59
- комплексных амплитуд 21
- контурных токов 10
- узловых потенциалов 12
Микросхема 114
-гибридная 114
-интегральная 114
-полупроводниковая 114
Микропроцессор 155
МикроЭВМ 155
Мощность 18
- переменного тока 18
-техфазной системы 57
Н
Напряжение
-насыщения 110
-отсечки 110
носитель заряда 95
-неосновной 96
-основной 95
П
Помехоустойчивость 144
Полупроводник 95
-p-типа 96
-n-типа 96
Потребляемая мощность 144
Преобразователь
-аналого-цифровой 154
-цифро-аналоговый 154
Примесь 96
-акцепторная 96
-донорная 96
Пробой 98
-лавинный 99
-тепловой 100
-электрический 98
Процессор 155
Р
Резонанс 26
-напряжений 26
-токов 28
Рекомбинация 96
С
Стабилизатор напряжения 123
Стабилитрон 101
Сток 109
Счетчик импульсов 150
-асинхронный 151
-синхронный 151
Т
Ток 4
-диффузионный 97
-дрейфовый 97
- переменный 14
- контурный 11
- однофазный 14
- постоянный 7
- трехфазный 51
Транзистор 103
-биполярный 103
-полевой 109
Трансформатор 71
Триггер 145
-асинхронный 146
-синхронный 146
-D-триггер 147
-JK-триггер 149
-RS-триггер 146
-T-триггер 148
У
Усилитель 127
-операционный 133
-электронный 127
Устройство
-арифметическо-логическое 156
-ввода 156
-вывода 156
-запоминающее 156
-управляющее 156
Ф
Феррорезонанс 70
-напряжений 70
-токов 71
фильтр 119
-емкостной 119
-индуктивный 120
-сглаживающий 119
Х
Характеристика
-внешняя 122
-входная 106
-выходная 106
Ц
Цепи 4
-электрические 4
-постоянного тока 7
-переменного тока 18
-магнитные 65
-нелинейные 40
Э
Эмиттер 103
Эмиттерный повторитель 132
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Основной
1. Жаворонков М.А. Электротехника и электроника: Учебное пособие для студентов вузов/ М.А Жаворонков, А.В. Кузин. М.: Академия, 2005. 394 с.
2.Информационно-измерительная техника и электроника: Учебное пособие для студентов вузов/ Под ред. проф. Г.Г. Раннева. М.: Академия, 2006. 512 с.
3. Калашников В.И. Электроника и микропроцессорная техника / В.И. Калашников, С.В. Нефедов. Издательство: Академия, 2012, 368 с.
4.Касаткин А.С. Электротехника: Учебник для вузов / А.С. Касаткин, М.В. Немцов. - М.: Академия, 2005.544 с.
5. Лачин В. И. Электроника: Учебник для вузов / В.И. Лачин, Н.С. Савелов. Ростов-на-Дону: Феникс, 2010, 704 с.
6. Щука А. А.Электроника. Издательство: БХВ-Петербург, 2012, 752 с
7. Ямпурин Н.П. Электроника / Н.П. Ямпурин, А.В. Баранова, В.И. Обухов. Издательство: Академия, 2011, 240 с.
Дополнительный
8. Нефедова Н.В. Карманный справочник по электронике и электротехнике / Н.В. Нефедова, П.М. Каменев, О.М. Большунова. Феникс, 2009, 288 с
9. Стороженко С.В. Электроника. Лабораторный практикум / С.В. Стороженко, О.М. Большунова, А.А. Коржев. СПб: РИЦ СПГГИ, 2008, 75 с.
10.Электротехника. Методические указания к контрольным заданиям для студентов всех форм обучения технологических специальностей./СПГИ. Составители: О.Б. Лакота, П.М. Каменев, Н.В.Нефедова. СПб, 2004, 46 с.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение.................................................................................................................... 3
Часть 1.ЭЛЕКТРОТЕХНИКА………………………………................................. 4
1.1.Основные понятия электрических цепей……………………………………. 4
1.2.Топологические понятия и законы электрических цепей………………..... 7
1.3.Режимы работы и методы расчета электрических цепей...……………….... 8
1.4.Электрические цепи однофазного переменного тока…………………….. 14
1.5.Мощность цепи переменного тока……………………………….………….. 18
1.6.Метод комплексных амплитуд для расчета цепей переменного тока........... 21
1.7.Резонансные явления в электрических цепях………………..……………… 26
1.8.Средства измерения………..………………………………………………….. 30
1.9.Цепи с индуктивными связями……………………………………………… 37
1.10.Цепи с нелинейными элементами…………………………………………... 40
1.11.Переходные процессы в электрических цепях…………………………….. 43
1.12.Трехфазные цепи ……………………………………………………………. 51
1.13.Методы защиты при работе с электрооборудованием.......…....................... 59
1.13.Магнитные цепи……………………………………………………………... 65
1.15.Трансформатор ……………………………......................…………………... 71
1.16.Электрические машины.. …………………………………………................ 79
1.17.Обеспечение электробезопасности .............................................................. 89
Часть 2.ЭЛЕКТРОНИКА......................................................................................... 94
2.1.Направления развития электроники…………………………………............. 94
2.2.Полупроводниковые приборы……………………………………………….... 95
2.2.1.p-n-переход и его свойства....................................................................... 95
2.2.2.Полупроводниковые диоды………………………………………....... 100
2.2.3.Биполярные транзисторы......................................................................... 103
2.2.4.Полевые транзисторы............................................................................... 109
2.3.Интегральные микросхемы............................................................................... 114
2.4.Источники вторичного электропитания........................................................... 115
2.4.1.Общие сведения........................................................................................ 115
2.4.2.Однополупериодный выпрямитель......................................................... 116
2.4.3.Двухполупериодный выпрямитель........................................................ 117
2.4.4.Сглаживающие фильтры.......................................................................... 119
2.4.5.Внешние характеристики выпрямителя.................................................. 122
2.4.6.Стабилизаторы напряжения постоянного тока...................................... 123
2.5.Электронные усилители..................................................................................... 127
2.5.1.Общие сведения........................................................................................ 127
2.5.2.усилитель на биполярном транзисторе с общим эмиттером................ 128
2.5.3.эмиттерный повторитель......................................................................... 132
2.6.Операционные усилители................................................................................... 133
2.7.Электронные генераторы гармонических сигналов......................................... 136
2.7.1.Общие сведения........................................................................................ 136
2.7.2.LC-автогенератор синусоидальных колебаний с индуктивной обратной
связью................................................................................................................. 138
2.7.3.RC-автогенератор с двойным Т-образным мостом................................ 140
2.8.Логические элементы......................................................................................... 141
2.8.1.Общие сведения........................................................................................ 141
2.8.2.Обозначения и таблицы истинности логических элементов.................. 142
2.8.3.Основные параметры и типы логических интегральных микросхем.. 144
2.9.Триггерные устройства...................................................................................... 145
2.9.1.Общие сведения........................................................................................ 145
2.9.2.RS-триггер................................................................................................. 146
2.9.3.D-триггер................................................................................................... 147
2.9.4.Т-триггер.................................................................................................... 148
2.9.5.JK – триггер............................................................................................... 149
2.10.Электронные устройства цифровой преобразовательной техники............... 150
2.10.1.Цифровые счетчики импульсов............................................................. 150
2.10.2.Аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи................. 154
2.11.Микропроцессор и микроЭВМ....................................................................... 155
2.12.Примеры задач................................................................................................. 158
Заключение................................................................................................................. 161
Список сокращений.................................................................................................. 162
Алфавитно-предметный указатель......................................................................... 162
Библиографический список..................................................................................... 166
– Конец работы –
Используемые теги: Электротехника, электр, КА0.059
Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ: ЭЛЕКТРОТЕХНИКА и ЭЛЕКТРОНИКА
Если этот материал оказался полезным для Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:
Твитнуть |
Новости и инфо для студентов