ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

Кондратюк К.П (не без участия Крумина Р.В)

 

 

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

И

ЭЛЕКТРОНИКА

		Рекомендовано к печати в PDF
	Рекомендовано к печати в PDF

Оглавление

Вопрос 1. Электрический ток, его параметры.. 6

Вопрос 2. Формы представления переменной величины.. 7

Вопрос 3. Действующее значение синусоидальной величины.. 9

Вопрос 4. Электрическая цепь с активным сопротивлением (R) 10

Вопрос 5. Электрическая цепь однофазного тока с индуктивностью (L) 12

Вопрос 6. Электрическая цепь однофазного Sin - го тока с ёмкостью (С) 13

Вопрос 7. Электрическая цепь с последовательным
соединением R, L, С. 15

Вопрос 8. Мощность электрической цепи однофазного Sin - го тока. 17

Вопрос 9. Электрическая цепь однофазного Sin - го тока с параллельным соединением R, L, С 18

Вопрос 10. Резонансные явления. 20

Вопрос 11. Резонанс напряжений. 21

Вопрос 12. Резонанс токов. 22

Вопрос 13. Закон Ома в комплексной форме. 23

Вопрос 14. Мощность в комплексной форме. 23

Вопрос 15. Соединение 3-х фазной системы по схеме "звезда" ("Y") 24

Вопрос 16. Векторные диаграммы напряжений при симметричной нагрузке 3-х фазной системы, соединенной по схеме «Y» 26

Вопрос 17. Соединение 3-х фазной системы
по схеме "треугольник " ("∆") 27

Вопрос 18. Векторные диаграммы токов при равномерной нагрузке по фазам 3-х фазной системы, соединенной по схеме «∆» 28

Вопрос 19. Мощность 3-х фазной системы.. 28

Вопрос 20. ЭМ процессы в обмотках электротехнических
устройств. ЭДС. 29

Вопрос 21. Закон Ома для магнитной цепи. Роль стального сердечника. 30

Вопрос 22. Энергетический баланс обмотки. 31

Вопрос 23. Уравнение электрического состояния обмотки. Схема замещения 31

Вопрос 24. Векторная диаграмма катушки со стальным сердечником.. 32

Вопрос 25. Назначение, устройство и принцип
действия трансформатора. 33

Вопрос 26. Холостой ход трансформатора (режим работы) 34

Вопрос 27. Работа трансформатора под нагрузкой.
Уравнение состояния. 35

Вопрос 28. Векторная диаграмма трансформатора при активно-индуктивной нагрузке 36

Вопрос 29. Схема замещения трансформатора. 37

Вопрос 30. Опыты холостого хода и короткого замыкания трансформатора. 38

Вопрос 31. Потери и КПД трансформатора. 40

Вопрос 32. Изменение вторичного напряжения трансформатора. 42

Вопрос 33. Устройство и принцип действия асинхронного
двигателя (АД) 43

Вопрос 34. Вращающееся магнитное поле. 45

Вопрос 35. Уравнения электрического и магнитного состояния АД под нагрузкой 46

Вопрос 36. Схема замещения АД.. 48

Вопрос 37. Энергетическая диаграмма, потери и к.п.д. АД.. 49

Вопрос 38. Вращающий момент АД. Зависимость М = f(S) 50

Вопрос 39. Механическая характеристика n₂ = f(M) АД.. 51

Вопрос 40. Особенности запуска АД.. 53

Вопрос 41. Запуск АД с фазным ротором.. 53

Вопрос 42. АД с улучшенными пусковыми свойствами. 55

Вопрос 43. Рабочие характеристики АД.. 56

Вопрос 44. Регулирование частоты вращения АД.. 57

Вопрос 45. Основные этапы развития электроники. 58

Вопрос 46. Классификация полупроводниковых приборов, их обозначение. 61

Вопрос 47. ВАХ однопереходных приборов (диод, стабилитрон) 64

Вопрос 48. Схемы включения биполярного транзистора (БТ) 67

Вопрос 49. БТ с общим эмиттером, его характеристики и параметры.. 68

50. Полупроводниковые устройства, их классификация, области применения 70

 

 

ЛИСТ ДЛЯ ЗАМЕЧАНИЙ

ВНИМАНИЕ!

Стиль этого раздела неэнциклопедичен или нарушает нормы русского языка. Следует исправить раздел согласно стилистическим правилам Википедии.

 

 

Вопрос 1. Электрический ток, его параметры

При изучении электрического тока, было обнаружено множество его свойств, которые позволили найти ему практическое применение в различных областях… Исторически принято, что направление тока совпадает с направлением движения… Скорость направленного движения частиц в проводниках зависит от материала проводника, массы и заряда частиц,…

Вопрос 2. Формы представления переменной величины

  Формы представления переменной величины:

Вопрос 3. Действующее значение синусоидальной величины

При расчетах цепей переменного тока, а также при электрических измерениях неудобно пользоваться мгновенными или амплитудными значениями токов и… Наиболее удобным оказалось введение понятий действующих значений тока и… Действующим значением переменного тока называют величину постоянного тока, действие которого произведёт такую же…

Вопрос 7. Электрическая цепь с последовательным соединением R, L, С

Схема цепи  

Вопрос 8. Мощность электрической цепи однофазного Sin - го тока

 

Вопрос 9. Электрическая цепь однофазного Sin - го тока с параллельным соединением R, L, С

Схема цепи   По первому закону Кирхгофа:

Вопрос 10. Резонансные явления

Режим резонанса нужно отличать как резонанс напряжений для последовательных цепей, и резонанс токов для цепей с параллельным соединением Рассмотрим 3 случая для цепи с последовательным соединением R, L, C: 1. XL>XC

Вопрос 11. Резонанс напряжений

   

Вопрос 12. Резонанс токов

Резонанс токов возможен в цепи с параллельным соединением реактивных элементов разного характера, при  

Вопрос 13. Закон Ома в комплексной форме.

 

Вопрос 14. Мощность в комплексной форме

Возьмем , тогда:

Вопрос 19. Мощность 3-х фазной системы

  Для схемы «звезда»:

Вопрос 20. ЭМ процессы в обмотках электротехнических устройств. ЭДС.

Периодический переменный ток катушки создаёт намагничивающую силу, обуславливающую появление переменного магнитного потока. Часть этого потока…  

Вопрос 21. Закон Ома для магнитной цепи. Роль стального сердечника

W – число витков,

Вопрос 22. Энергетический баланс обмотки

где - потери, связанные с нагревом обмотки («в меди»), потери в стали - потери…

Вопрос 23. Уравнение электрического состояния обмотки. Схема замещения

Схема замещения – это электрическая модель, на которой смоделированы все конструктивные элементы и соблюдены все основные соотношения.

 

Схема замещения обмотки

и – основные потери, и – потери в магнитопроводе. Активная составляющая тока будет определять магнитные потери, а реактивная составляющая тока – ток намагничивающий.

Уравнение электрического состояния цепи:

 

 

R_k – моделирует сопротивление провода обмотки

X_p - моделирует сопротивление рассеяния обмотки.

 

Участок аb с параллельным соединением двух элементов, разных по характеру, позволяет выделить активные и реактивные составляющие тока, протекающего по обмотке. Тогда активная составляющая тока I_a определит потери в магнитопроводе, а I_р – намагничивающий ток.

Уравнение электрического состояния обмотки:

 

Схема замещения как электрическая модель позволяет легко проиллюстрировать уравнение электрического состояния обмотки на основании законов электрических цепей.

Если параметры R_k, X_p не учитывать, то говорят об идеализированной катушке. Характеризующие её параметры: G₀, B₀, U_ab.

Вопрос 23. Векторная диаграмма катушки со стальным сердечником

  Вектор тока опережает вектор магнитного потока на угол δ, называемый… Векторная диаграмма строится в следующем порядке

Вопрос 25. Назначение, устройство и принцип действия трансформатора

Зачем это делать? Как правило, станции находятся вдали от своих потребителей. Известно что стремиться к понижению, но что бы мощность была… Трансформаторы бывают обычного и специального назначения: 1. Одно и многофазные (трехфазные).

Вопрос 27. Работа трансформатора под нагрузкой. Уравнение состояния

Номинальный режим, т.е. работа при номинальных значениях первичной обмотки трансформатора. Режим холостого хода, ненагруженного трансформатора, где цепь вторичной… Режим короткого замыкания, при котором вторичная обмотка трансформатора замкнута накоротко (U2=0) или подключена к…

Вопрос 28. Векторная диаграмма трансформатора при активно-индуктивной нагрузке

 

Все делали курсовую и знают, как её строить (примечание редактора).

 

 

Вопрос 29. Схема замещения трансформатора

В трансформаторах между первичной и вторичной обмоткой существует только магнитная связь. Это значительно усложняет расчет. Для упрощения расчетов трансформатор можно представить в виде электрической схемы замещения, в которой магнитная связь заменена электрической, т.е. электрическое устройство моделирует электрическую цепь.

 

Схема замещения отображает электрические процессы, протекающие в трансформаторе.

 

R1 – активное сопротивление первичной обмотки, моделирует потери напряжения в первичной обмотке.

X1 – индуктивное сопротивление рассеяния первичной обмотки, моделирует процесс образования потока рассеяния в первичной обмотке

R2 – приведенное активное сопротивление вторичной обмотки

X2 – приведенное индуктивное сопротивление вторичной обмотки

Для учета тока х.х. (ток намагничивания) введена ветвь с сопротивлением Zo = E1/Io

R0 – моделирует потери на гистерезис и вихревые токи

X0 – моделирует процесс образования основного магнитного потока, замыкающегося по сердечнику трансформатора

(zo – активное сопротивление, учитывающее потери в стали, хо – индуктивное сопротивление, обусловленные рабочим магнитным потоком)

Вторичная обмотка замкнута на сопротивление нагрузки Zн

 

Вопрос 30. Опыты холостого хода и короткого замыкания трансформатора

Опыты хх и кз проводятся при заводском испытании трансформатора для определения паспортных характеристик. ХХ – это режим, при котором вторичная обмотка разомкнута К первичной обмотке…  

Вопрос 31. Потери и КПД трансформатора

потребляет только трансформатор, только нагрузка – активная мощность на выходе…  

Вопрос 32. Изменение вторичного напряжения трансформатора

Рассмотрим случай активной индуктивной нагрузки трансформатора при ее…

Вопрос 34. Вращающееся магнитное поле

Почему так называется поле? Чем оно интересно? Создается поле трехфазной обмоткой статора, которая подключается к клемному…  

Вопрос 35. Уравнения электрического и магнитного состояния АД под нагрузкой

- магнитное поле рассеяния статора (магнитный поток сцепляется только с витками обмотки статора) - магнитное поле рассеяния ротора (поток рассеяния ротора сцепляется только с… - рабочее поле машины (основной поток, сцепляющийся с витками обмотки статора и ротора)

Вопрос 37. Энергетическая диаграмма, потери и к.п.д. АД

  Отобразим энергетическую диаграмму двигателя, описывая энергетические…

Вопрос 39. Механическая характеристика n2 = f(M) АД

Используя выражение

С учетом того, что все величины в этой формуле, кроме скольжения, являются постоянными, строится механическая характеристика двигателя, которая имеет важное значение для оценки свойств двигателя.

 

 

Анализ механической характеристики показывает, что при включении двигателя в сеть, пока ротор неподвижен, в двигателе создается начальный пусковой момент, который пропорционален фазному напряжению статора.

Под действием этого момента, ротор начинает вращаться, скольжение уменьшается, а момент увеличивается до максимального значения. Чтобы определить критическое скольжение, необходимо вычислить производную:

 

Подставим значение в формулу для расчета момента, определим максимальный момент двигателя:

После достижения максимального момента, частота вращения ротора продолжает увеличиваться, скольжение уменьшается, и момент начинает уменьшаться до тех пор, пока электромагнитный момент двигателя не станет равно сумме противодействующих моментов:

При номинальной нагрузке момент примет номинальное значение, которому будет соответствовать и номинальная частота вращения.

Точка А (критическая) делит характеристику на 2 участка. Рассмотрим работу двигателя на каждом из них. Допустим, рабочий механизм создает номинальный момент. При увеличении нагрузки тормозной момент увеличивается. Тогда равенство моментов нарушится. Это вызовет уменьшение частоты вращения ротора, увеличение скольжения. Следовательно, ЭДС Е2 и ток I2 увеличатся, то есть возрастет электромагнитный момент двигателя до такого значения, пока снова не возникнет равновесие моментов.

Под устойчивой работой понимают способность двигателя самостоятельно восстанавливать равновесие моментов. Устойчивая работа двигателя возможна только при скольжениях от 0 до критического. При большем работа становится нестабильной. При максимальном моменте любое увеличение нагрузки может привезти к остановке.

Иногда для расчета электромагнитного момента используются:

Вопрос 40. Особенности запуска АД

Тоже максимален и равен пусковому току. Отношение пускового тока к номинальному значению называется кратностью пускового тока:

Вопрос 41. Запуск АД с фазным ротором

Прямой пуск – без использования схем. Пусковой ток не должен вызвать большое падения напряжения в сети (10-15%). Реакторный пуск - реакторный пуск, при котором исполнительный двигатель… Автотрансформаторный - используется, в основном, для высоковольтных короткозамкнутых АД, т.к. требует дорогих…

Вопрос 42. АД с улучшенными пусковыми свойствами

С повышенным скольжением – обмотки ротора обладают большим активным сопротивлением, следовательно, пусковой момент увеличивается, пусковой ток… Глубокопазных – пазы сердечника ротора выполнены глубокими. В них укладывается… С двойной беличьей клеткой - сопротивление пусковой обмотки в 2-4 раза больше сопротивления рабочей обмотки,…

Вопрос 43. Рабочие характеристики АД

Механические характеристики показывают свойства двигателя как части… N2=f(P2) это часть механической характеристики, т. к. Р2» Рмех , а Рмех =Мwр – Это жесткая характеристика, т.е. в…

Вопрос 44. Регулирование частоты вращения АД

  Для АД с фазным ротором используется метод реостатного регулирования –плавное…  

Вопрос 45. Основные этапы развития электроники

Первыми в мире исследования электрических разрядов в воздухе осуществили в… Выпрямительные свойства контактов между металлами и некоторыми сернистыми соединениями были обнаружены в 1874 г.

Вопрос 46. Классификация полупроводниковых приборов, их обозначение

ППП – это приборы, действие которых основано на использовании свойств полупроводников (простые – германий Ge, кремний Si, селен; I сложные – арсенид Ga, фосфид Ga и др.).

Для придания полупроводнику электропроводности – электронной или дырочной, его легируют (т.е. в чистые полупроводники вносят примеси: элементы III гр. (In-индий), создают дырочную проводимость, V гр. (P-фосфор) – электронную проводимость).

Особое значение для работы ППП имеет электронно-дырочный переход, который называют p-n переходом (область на границе двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой – дырочную электропроводимость).

 

Классификация полупроводниковых (ПП) элементов

· ПП резисторы (безпереходные)

o терморезистор

o фоторезистор

o тензорезистор

o варистор

o линейный резистор

· ПП диоды (один p-n переход)

o выпрямительный диод

o стабилитрон

o стабистор

o туннельный диод

o обращенный диод

o варикап

o фотодиод, светодиод

· ПП транзисторы

o биполярный транзистор (два p-n перехода)

o полевой транзистор (один p-n переход)

o ПП тиристоры (три и более p-n перехода)

o динистор

o тринистор

o симистор

Полупроводниковые резисторы

Тип резисторов	Условное обозначение	R зависит от	График
Терморезисторы		температуры
Тензорезисторы		механической деформации
Варисторы		приложенного напряжения
Фоторезисторы		освещенности
Линейные резисторы		R постоянно почти при любых условиях	–

 

Полупроводниковые диоды

Тип диода	Обозначение	Назначение
выпрямительный диод		преобразование переменного тока в постоянный
стабилитрон		стабилизация напряжения
стабистор		стабилизация малых напряжений
туннельный диод		создание диапазона напряжений на ВАХ, в котором возможен переход основных носителей в соседнюю область
обращенный диод		выпрямление очень слабых сигналов
варикап		работа в качестве емкости, величина которой зависит от приложенного к нему напряжения
фотодиод		преобразование света в электрический заряд
светодиод		преобразование электрического заряда в свет

 

Буквенно-цифровой код.

Г	Т			В
К	Д			Р

 

Примеры: Г Т 3 08 В; К Д 2 02 Р

 

1 элемент – исходный ПП материал:

· Г или 1 – германий (Ge).

· К или 2 – кремний (Si).

· А или 3 – соединения галлия.

2 элемент обозначения – буквенный – определяет класс прибора.

· Т – транзисторы биполярные.

· П – транзисторы полевые.

· Д – диоды выпрямительные.

· С – стабилитроны.

· В – варикапы.

· А – диоды СВЧ.

· Н – диодные тиристоры.

· У – триодные тиристоры.

3 элемент – цифры от 1 до 99 – диапазон основных параметров (мощность, частота, основные назначения и т.д.).

4 элемент – двузначное число от 01 до 99 – определяет номер разработки.

5 элемент – буквы русского алфавита от А до Я – деление технологического типа на параметрические группы, например, по обратным напряжениям, коэффициент передачи тока и т.д.

 

Вопрос 47. ВАХ однопереходных приборов (диод, стабилитрон)

Полупроводниковый диод - самый простой полупроводниковый прибор, состоящий из одного PN перехода. Основная его функция - это проводить электрический ток в одном направлении, и не пропускать его в обратном. Состоит диод из двух слоев полупроводника типов N и P.

Обратное включение диода

Подключим источник питания - плюс к катоду, минус к аноду.

В соответствии с силой притяжения, возникшей между зарядами разной полярности, электроны из N начнут движение к плюсу и отдалятся от PN перехода. Аналогично, дырки из P будут притягиваться к минусу, и также отдалятся от PN перехода. В результате, плотность вещества у электродов повышается. В действие приходит диффузия и начинает толкать частицы обратно, стремясь к равномерной плотности вещества.

Как мы видим, в этом состоянии диод не проводит ток. При повышении напряжения, в PN переходе будет все меньше и меньше заряженных частиц.

 

Прямое включение диода

Меняем полярность источника питания - плюс к аноду, минус к катоду. В таком положении, между зарядами одинаковой полярности возникает сила отталкивания. Отрицательно заряженные электроны отдаляются от минуса и двигаются сторону pn перехода. В свою очередь, положительно заряженные дырки отталкиваются от плюса и направляются навстречу электорнам. PN переход обогащается заряженными частицами с разной полярностью, между которыми возникает электрическое поле – внутреннее электрическое поле PN перехода. Под его действием электроны начинают дрейфовать на сторону P. Часть из них рекомбинируют с дырками (заполняют место в атомах, где не хватает электрона). Остальные электроны устремляются к плюсу батарейки. Через диод пошел ток ID.

Основная задача обычного выпрямительного диода – проводить электрический ток в одном направлении, и не пропускать его в обратном. Следовательно, идеальный диод должен быть очень хорошим проводником с нулевым сопротивлением при прямом подключении напряжения (плюс - к аноду, минус - к катоду), и абсолютным изолятором с бесконечным сопротивлением при обратном.

Однако на практике, в силу своей полупроводниковой структуры, настоящий диод обладает рядом недостатков и ограничений по сравнению с идеальным диодом. Это можно увидеть на графике, приведенном ниже.

Статическое сопротивление:

Динамическое сопротивление:

Стабилитрон. Для стабилизации напряжения на ВАХ диода имеется область электрического пробоя. Если участок протяженный, то такой диод называется стабилитроном и используется для стабилизации напряжения.

При подключении источника питания к диоду в обратном направлении при определенном значении напряжения возникает электрический пробой: неосновные заряды разгоняются электрическим полем внешнего источника до такой степен, что приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов кристалла. В результате возникает лавинное размножение носителей и ток, проходя через диод в обратном направлении, резко возрастает.

 

Вопрос 48. Схемы включения биполярного транзистора (БТ)

Схемы усиления

ОБ	ОЭ

Среди 3х рассмотренных схем наибольший коэфициент усиления мощности у схемы включения с ОЭ. Поэтому использование в съемах усилителей и представляет интерес.

 

 

 

 

Биполярный транзистор является управляемым источником тока. Выходной ток коллектора управляется током базы, h – параметры транзистора можно определить из ВАХ.

 

Вопрос 49. БТ с общим эмиттером, его характеристики и параметры

Биполярный транзистор – это ППП, который состоит из трех взаимочередующихся областей проводимости, имеет электрический вывод из каждой области и… Исходя из структуры определения можно сделать вывод о том, что существует 2…

Полупроводниковые устройства, их классификация, области применения

Электрический усилитель – это устройство, построенное на полупроводниковых управляющих элементах и обеспечивающее совместно с источником питания усиление мощности входных сигналов.

 

По назначению различают усилители напряжения и мощности. Для усилителей напряжения характерно: входное сопротивление во много раз больше выходного сопротивления источника сигнала, а выходное сопротивление во много раз меньше сопротивления нагрузки.

 

Для усилителей тока характерно: входное сопротивление во много раз меньше входного источника сигнала. Выходное сопротивление во много раз больше сопротивления нагрузки. Для усилителей мощности характерно равенство сопротивления нагрузки выходному сопротивлению.

 

По форме усиливаемых сигналов различают: усилители гармонического сигнала и импульсные усилители, по характеру изменения во времени усиливаемого сигнала различают усилители постоянного и переменного тока. По ширине полосы пропускания различают:

 

избирательные усилители, для них характерно отношение:

– верхние и нижние частоты пропускания

широкополосные:

 

 

Усилительный каскад

Назначение элементов:

· Транзистор VT – усиливает мощность сигнала

· E_k – источник питания усилительного каскада

· R_k – резистор цепи коллектора – ограничивает ток коллектора, формирует сигнал на выходе транзистора

· C_p1­, C_p2 – разделительные конденсаторы – отделяют входную и выходную цепи системы по постоянному току от источника E­­_k

· R_Э – резистор цепи эмиттера – выполняет роль температурной стабилизации схемы

· C_Э – шунтирует резистор R_Э по переменному току

· R_Б1, R_Б2 – составляют делитель напряжения источника E_k. Обеспечивают требуемый режим работы транзистора в схеме усилителя.

Принцип работы транзисторного каскада

На вход усилительного транзистора поступает входной синусоидальный сигнал малой амплитуды определенной частоты.

Если U_вых = 0, то U_вых = 0.

 

При увеличении напряжения на входе потенциал на базе транзистора будет также увеличиваться, следовательно, ток базы транзистора тоже будет увеличиваться.

Ток коллектора тоже увеличивается. Увеличение тока коллектора приводит к смещению перехода Коллектор-База в прямом направлении. Следовательно, напряжение на выходе Коллектор-Эмиттер уменьшается.

Схема инвертирует сигнал.

 

Основной характеристикой усилительного каскада является коэффициент усиления по напряжению (KU):

 

 

У современных биполярных транзисторов KU достигает нескольких тысяч

 

Коэффициенты усиления по току и мощности:

 

 

АЧХ и ФЧХ транзисторного усилителя

 

На низких частотах на коэффициент усиления оказывают влияние внешние конденсаторы. На верхних частотах снижение коэффициента усиления обусловлено частотными свойствами транзистора (наличие емкостей в переходах Э–Б, К–Б).

Это зависимость сдвига фаз между выходными и входными сигналами от частоты (инверсия не учитывается).

 

Многокаскадный усилитель

Реализован путем каскадного усиления нескольких усилительных каскадов. Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов:

Для стабильной работы многокаскадного усилителя используется обратная связь, которая передает часть сигнала с выхода схемы на ее вход. Введение отрицательной обратной связи (ООС) позволяет стабилизировать работу системы, уменьшить вероятность перехода усилителя в генераторный режим, уменьшить частотные искажения при усилении; но вместе с этим уменьшает коэффициент усиления схемы и, как следствие, увеличивается полоса пропускания усилителя.

 

 

Схемы выпрямителей

Однотактный однофазный однополупериодный

Напряжение на выходе системы не синусоидальное, периодически изменяющееся. Его можно представить в виде ряда Фурье,…

Двухполупериодный однотактный выпрямитель

3) двухполупериодный двухтактный выпрямитель (мост, мостовая схема)

Однополупериодный трехфазный выпрямитель

(разница между фазами = ) Коэффициент пульсаций q = 0.25  

Двухполупериодный трехфазный выпрямитель

Коэффициент пульсаций q = 0.057