ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА
ИМЕНИ АДМИРАЛА С.О. МАКАРОВА»
Е. Н. Иванов
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА
Конспект лекций
Санкт – Петербург
УДК 621.3
ББК 31.2
И 20
Рецензенты:
Сикарев А.А., д.т.н., проф., зав. кафедрой технических средств судовождения
и связи ФГБОУ ВПО «ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова».
Первушин Л.С., к.т.н., заместитель руководителя ФГУ «Северо-Двинское
государственное бассейное управление водных путей и судоходства».
Иванов Е.Н. Электротехника и электроника: Конспект лекций. СПб:
ФГБОУ ВПО «ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова», 2013.-162с.
Конспект лекций «Электротехника и электроника» составлен в соответствии с требованиями государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования и предназначено для студентов ФГБОУ ВПО «ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова»,обучающихся по техническим специальностям.
УДК 621.3
ББК 31.2
@ Иванов Е.Н., 2013.
ISBN 978-5-88789-272-6@ ФГБОУ ВПО «ГУМРФ имени адмирала С.О.
Макарова»,2013.
ВВЕДЕНИЕ
Электротехникой называется область науки и техники, изучающая электрические и магнитные процессы и явления, которые находят широкое практическое применение.
Изучение электротехники необходимо для общеинженерной подготовки студентов, позволяющей в дальнейшем использовать полученные знания в изучении специальных дисциплин, связанных с автоматизацией технологических процессов и построением информационных систем.
Электроникой называют область науки и техники, в которой изучаются электронные приборы, устройства и преобразователи, принципы их действия, методы инженерного расчета, построение электронных систем и их использование в народном хозяйстве.
Электронные приборы и устройства являются основой современных средств информационных систем, связи, автоматики, измерительной техники и используются практически во всех областях науки и техники.
Учебное пособие предназначено для студентов специальностей “Kораблестроение” , “Cудовые энергетические установки”, “Эксплуатация судовых энергетических установок”, ’’Организация перевозок и управление на транспорте’’, ’’Управление водным транспортом и гидрографическое обеспечение судоходства’’, ’’Технология транспортных процессов’’ изучающих дисциплину “Электротехника и электроника”, особую важность приобретает её значение при проектировании отдельных судовых конструкций и при эксплуатации судов и современных судовых энергетических установок.
Лекция 1
Электрические цепи постоянного тока
Электрическая цепь постоянного тока. Параметры злементов цепи. Закон Ома
Отдельные устройства, входящие в электрическую цепь, называют элементами электрической цепи. Часть электрической цепи, содержащую выделенные в ней… Элементы цепи, предназначенные для получения электрической энергии, называются… В источниках питания происходит преобразование в электрическую энергию других видов энергий. Например, преобразование…Режимы работы источника электрической энергии
Существуют следующие режимы работы источникаэлектрической энергии постоянного тока: номинальный режим, рабочий режим, режим холостого хода, режим… Режимы работы источника электрической энергии определяет вольт-амперная… Номинальный режим источника характеризуется номинальными параметрами источника, соответствующими расчётным паспортным…Законы Кирхгофа
Разветвленными называются цепи, в которых источники и приемники электрической энергии соединены параллельно или имеют смешанное соединение. Такие… Первый закон Кирхгофа: алгебраическая сумма токов в любом узле электрической… . (1.15)Использование законов Кирхгофа для расчета электрических цепей
Рис.1.10. Электрическая цепь постоянного тока При заданных значениях ЭДС и сопротивлений, необходимо составить количество уравнений, равное количеству ветвей в…Лекция 2
Эквивалентные преобразования электрических цепей
При расчете сложных электрических цепей, цепи упрощаются, если в схемах замещаются группы резистивных элементов или конденсаторов эквивалентными схемами.
Последовательное соединение элементов.
Рис.1.11. Эквивалентное замещение последовательно соединённых резисторовПараллельное соединение элементов.
Резистивные элементы. При параллельном соединении потребителей все начальные и конечные точки…Смешанное соединение резистивных элементов.
На рис.1.15 представлена электрическая цепь со смешанным соединением резистивных элементов, которую можно преобразовать в эквивалентную схему… Для определения эквивалентного сопротивления Rэ, сначала находим эквивалентную… , (1.32)Эквивалентные преобразования резистивных элементов
Треугольником и звездой.
Если при смешанном соединении резистивных элементов не удается определить эквивалентное резистивное сопротивление, то необходимо эквивалентное…Электрические цепи переменного тока
Генерация синусоидальной ЭДС. Основные величины,
Характеризующие переменный ток
Рассмотрим схему простейшего генератора переменного тока, приведённую на рис.2.1. В магнитном поле электромагнита NS статора машины, помещен ротор,… Рис.2.1. Схема простейшего генератора переменного токаЛекция 3
Представление синусоидальных величин аналитически, графически,
Вращающимися векторами, комплексными числами
(2.6) Электрические углы , -, , называются начальными фазами. Аргументы ,, ,… . (2.7)Цепь переменного тока с активным сопротивлением
(2.8) где представляет амплитудное значение тока. Разделив левую и правую части… . (2.9)Цепь переменного тока с индуктивностью
В результате, вокруг катушки возникает магнитное поле, и в катушке наводится ЭДС самоиндукции . При r = 0 напряжение источника - . Так как , тогда . (2.12)Лекция 4
Рассмотрим неразветвлённую электрическую цепь (рис. 2.21). Рис.2.21. Схема неразветвлённой электрической цепи с активным сопротивлением, индуктивностью и ёмкостьюРазветвленная цепь однофазного переменного тока. Резонанс токов
Рис.2.29. Электрическая схема разветвлённой цепиКолебательный LC - контур переменного тока
Рис.2.33. Колебательный контурЛекция 5
Мощность однофазного переменного тока. Коэффициент мощности
Рис.2.35. Цепь переменного тока с активным сопротивлением и индуктивностьюЛекция 6
Соединение источников и потребителей электрической энергии
Звездой. Соотношения между фазными и линейными напряжениями
И токами при симметричной и несимметричной нагрузках
Наличие нулевого провода
При симметричной нагрузке , . По первому закону Кирхгофа ток в нулевом проводе равен геометрической сумме токов фаз: ++. (3.1) Если принять нулевую точку генератора за условную точку нулевого потенциала, то потенциалы точек A,B,C будут равны…Отсутствие нулевого провода
Электрическая схема несимметричной нагрузки приведена на рис.3.10. Рис.3.10. Электрическая схема трёхфазной системы без нулевого провода при несимметричной нагрузкеОбрыв фазы и короткое замыкание фазы без нулевого провода при
Соединении источников энергии и потребителей звездой
Обрыв фазы A
Рис.3.12. Электрическая схема трёхфазной системы, соединённой звездой, без нулевого провода с выключенной фазойКороткое замыкание фазы A
= , = 0. Воспользуемся преобразованиями: , так как ,Соотношения между фазными и линейными напряжениями и токами при симметричной и несимметричной нагрузках
Из схемы видно, что линейные напряжения , , являются одновременно фазными напряжениями , (3.13) токи , , являются линейными и токи , , являются фазными.Обрыв фаз и обрыв линейного провода при соединении
Источников и потребителей треугольником
Обрыв фазы ab
Рассмотрим электрическую схему, изображённую на рис.3.20.
Рис.3.20. Электрическая схема трёхфазной системы, соединённой треугольником, с отключенной фазой
При обрыве фазы ab вектор тока 
, тогда выражения (3.14) преобразуются в следующий вид:
, 
, 
. (3.16)
На рис.3.21 приведена векторная диаграмма напряжений и токов при обрыве фазы аb нагрузки, соединённой треугольником.
Рис.3.21. Векторная диаграмма напряжений и токов для нагрузки, соединённой треугольником, с отлюченной фазой
Обрыв фаз ab и bc
Обрыв линейного провода
Рис.3.24. Электрическая схема трёхфазной системы, соединённой треугольником, с…Лекция 7
Соотношения активных мощностей при симметричной нагрузке
И при соединении звездой и треугольником
. (3.24) Для активной нагрузки угол сдвига фаз между напряжением и током , тогда . Так… = , (3.25)Трансформаторы
Однофазные трансформаторы. Устройство и принцип действия
Tрансформатор состоит из ферромагнитного сердечника, в который встраиваются две катушки с изолированными обмотками, содержащими количество виткови… Обмотка , включенная в сеть источника электрической энергии, называется…Трансформатора
1) номинальный режим, т.е. режим при номинальных (паспортных) значениях напряжения =и тока =первичной обмотки трансформатора; 2) рабочий режим, при котором напряжение первичной обмотки близко к… 3) режим холостого хода, при котором цепь вторичной обмотки разомкнута () или подключена к вольтметру, имеющему очень…Лекция 8
Конструкция трёхфазного трансформатора имеет трёхфазный магнитопровод, состоящий из листов электротехнической стали. На каждый стержень… Принцип действия трёхфазного трансформатора аналогичен работе однофазного… При соединении звездой фаз первичной обмотки трансформатора соотношения между фазными и линейными напряжениями и…Измерительные трансформаторы
Измерительные трансформаторы делятся на трансформаторы тока (рис.4.6) и трансформаторы напряжения (рис.4.7). Трансформаторы тока и напряжения состоят из магнитных сердечников, на которые…Электрические машины постоянного тока
Устройство и принцип действия генератора постоянного тока
Статор служит для создания магнитного поля и представляет собой электромагнит с полюсами. Электромагнит состоит из полюсных сердечников и полюсных… Якорь состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, и… Коллектор состоит из медных пластин, изолированных друг от друга.Генераторы постоянного тока независимого и параллельного
Возбуждений и их основные характеристики
Рис.5.3. Электрическая схема генератора постоянного тока независимого…Лекция 9
Генераторы постоянного тока последовательного и смешанного
Возбуждений и их основные характеристики
Характеристика холостого хода генератора при значениях ; выражается точкой на оси ординат равной , поэтому снять ее нельзя.Принцип действия электродвигателя постоянного тока
При включении машины постоянного тока в сеть, напряжение U , поданное на щётки Щ1 и Щ2, вызовет ток в цепи якоря, представленной в виде рамки…Электродвигатели постоянного тока параллельного возбуждения
И их основные характеристики
Рис.6.18. Электрическая схема электродвигателя постоянного тока параллельного возбужденияЭлектродвигатели постоянного тока последовательного и смешанного
Возбуждений и их основные характеристики
Рис.5.22. Электрическая схема электродвигателя постоянного тока последовательного возбужденияПуск, регулирование частоты вращения и реверс
Электродвигателей постоянного тока
Регулирование частоты вращения двигателя рассмотрим на примере двигателя с параллельным возбуждением, для которого частота вращения . Регулирование… Изменение тока возбуждения приводит к изменениям магнитного потока статора,…Лекция 10
6.1.Устройство и принцип действия асинхронного двигателя Асинхронный двигатель изобретен русским инженером Доливо-Добровольским в 1888… Конструктивно трёхфазный асинхронный двигатель (рис.6.1) состоит из неподвижного статора 1 и подвижного ротора 2.Зависимость частоты вращения ротора, величины ЭДС и тока
В фазе обмотки ротора от скольжения
В режиме элекродвигателя частота вращения ротора отстаёт от частоты вращающегося магнитного поля статора. Величина скольжения находится в пределах . При элекродвигатель врщается с частотой холостого хода . Если ,… В режиме генератора частота вращения ротора больше частоты вращающегося магнитного поля статора, при этом скольжение…Электромагнитный момент и механическая характеристика
Асинхронного двигателя
, (6.9) где с – конструктивная постоянная машины, зависящая от числа полюсов, числа … витков обмотки статора и выполнения обмотки,Лекция 11
Пуск и реверс асинхронных двигателей
При включении асинхронного двигателя в сеть трёхфазного переменного тока, пусковой ток IП = (5÷7)Iном. Такое увеличение тока достигается за… Прямой пуск асинхронного двигателя допустим, если мощность двигателя меньше… Двигатель с фазным ротором (рис.6.11) снабжается трёхфазным пусковым реостатом ПР, который, при пуске двигателя,…Лекция 12
Полупроводниковые приборы
Электропроводность полупроводников
Рис 7.1. Схематические изображения парноэлектронной связи атомовПолупроводниковые диоды. Устройство, принцип действия
Рис 7.6. Структра диода и его условное обозначениеБиполярные транзисторы. Устройство, принцип работы
Рис.7.14. Схема условного обозначения транзистора n-p-n структуры и его подключений к внешним источникам питанияЛекция 13
Схемы включения биполярных транзисторов с p-n-p структурой
На рис.7.16 изображена схема включения транзистора p-n-p структуры с общей базой, в которой коэффициент усиления по току , коэффициент усиления по… На рис.7.17 изображена схема включения транзистора p-n-p структуры с общим коллектором. Так как , тогда коэффициент…Полевые транзисторы с управляющим p-n переходом
Полевой транзистор состоит из пластины с электронной проводимостью n, в которую встроены две пластины р проводимости. Торцевые области n…Динисторы, тиристоры. Устройство, принцип действия
Рис.7.23. Условное обозначение и схема включения динистора через нагрузочное…Симисторы. Устройство, принцип действия
Структурная схема симметричного динистора имеет пять областей с различными типами проводимостей: . При приложении небольшого прямого напряжения ,… Увеличение прямого напряжения до приводит к открытию перехода и появлению…Лекция 14
Фоторезисторы и фотодиоды. Устройство, принцип действия
На рис.7.31 показано устройство фоторезистора, состоящего из диэлектрической подложки 1, выполненной из стекла или керамики, на которую наносится…Фототранзисторы, фототиристеры, оптроны.
Устройство, принцип действия
На рис.7.38 изображена схема фототранзистора р-n-р структуры, поясняющая его устройство и принцип действия.Схемы электронных преобразователей
Однополупериодные выпрямители
На рис.8.1 изображена схема однополупериодного выпрямителя, построенного на одном диоде, а на рис.8.2 показаны временные зависимости мгновенного… Вольтметром электромагнитного типа измеряют действующее значение переменного…Лекция 15
Двухполупериодные выпрямители
Двухполупериодные выпрямители подразделяются на выпрямители с нулевым выводом трансформатора (рис.8.3) и на мостовые выпрямители (рис.8.4). На… Рис.8.3. Двухполупериодный выпрямитель с нулевым выводом трансформатораЛекция 16
Электронные усилители на биполярных транзисторах
Рассмотрим принцип работы усилителя на биполярном транзисторе, собранного по схеме с общим эмиттером. Предварительный каскад усилителя приведен на… Напряжение синусоидального сигнала через разделительный конденсатор поступает…Импульсные усилители
Импульсному (ключевому) режиму работы транзистора соответствуют два состояния: транзистор или закрыт или полностью открыт. В этом режиме транзисторы… Рассмотрим работу схемы, приведённой на рис.8.13. Временные зависимости…Операционные усилители
Операционные усилители выполнены на интегральных микросхемах и применяются как усилители постоянного тока для работы в режиме усиления и выполнения… Условное изображение операционного усилителя приведено на рис.8.15, в котором…Лекция 17
Цифровые устройства
Логические функции, логически устройства.
Способы задания логических функций
Для обозначения различной информации используются слова. В цифровой технике пользуются кодовыми словами. Для их построения используется алфавит из двух букв 0 и 1. Эти буквы будем называть логическим нулем и логической единицей. Если длина кодовых слов составляет “n” разрядов, то можно построить 
комбинаций – кодовых слов. Например, при n=3 можно построить 
кодовых слов: 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111. На входы любого логического устройства поступают логические слова, на выходе образуется новое кодовое слово, представляющее результат обработки входных слов. Поэтому можно сказать, что выходное слово есть функция, для которой аргументами являются входные слова. Функция и аргументы могут принимать значения лог.0 и лог.1 и называются такие функции функциями алгебры логики. Устройства, предназначенные для формирования функций алгебры логики, называются логическими (цифровыми) устройствами.
По способу ввода – вывода кодовых слов различают устройства последовательного, параллельного и смешанного действия.
На рис.9.1 изображена схема логического устройства последовательного действия.
Рис.9.1. Схема логического устройства последовательного действия
На входы такого устройства и с его выхода кодовые слова поступают последовательно во времени. В данном случае устройство выявляет логическое совпадение символов слов на входах.
На рис.9.2 изображена схема логического устройства параллельного действия. На входы устройства параллельного действия все n символов входного слова подаются одновременно. Для каждого разряда входного слова имеется свой выход.
Рис.9.2. Схема логического устройства параллельного действия.
В устройствах смешанного действия входные и выходные кодовые слова представляются в разных формах. Например, входные слова в последовательной форме, выходные в параллельной форме, либо наоборот.
Логические функции могут задаваться аналитическим или табличным способами. Аналитический способ задания логической функции предусматривает запись функции в форме логических операций. При табличном способе строится таблица истинности, в которой приводятся все возможные сочетания значений аргументов и соответствующие им значения логических функций.
Рассмотрим в табличном виде перечень необходимых логических операций и соответствующую им таблицу истинности.
| Обозначения основных логических операций | Как читается? | Название операции | Таблица истинности | ||||
| |||||||
| |||||||
| и
| Логическое произведение, логическое И | y | ||||
| или
| Логическая сумма, логическое ИЛИ | y | ||||
| не
| Логическое отрицание, логическое НЕ | y | ||||
| Инверсия
и
| Логическое И-НЕ, инверсия И | y | ||||
| Инверсия
или
| Логическое ИЛИ-НЕ, инверсия ИЛИ | y |
Основные логические элементы.
Обозначение логических элементов в схемах
Технические устройства, реализующие логические операции, называются логическими элементами. Рассмотрим основные логические элементы, изображённые в виде логических операций, таблиц истинности, а также их обозначения в схемах.
1. Логический элемент повторитель, операция логическое повторение y=x, иллюстрируется таблицей истинности и условным обозначением:
2. Логический элемент НЕ, инвертор, операция логическое отрицание 
,
иллюстрируется таблицей истинности и условным обозначением:
3. Логический элемент И, операция логическое произведение 
,
иллюстрируется таблицей истинности и условным обозначением:
4. Логический элемент ИЛИ, операция логическое сложение 
,
иллюстрируется таблицей истинности и условным обозначением:
5. Логический элемент И-НЕ, операция отрицание элемента И 
, иллюстрируется таблицей истинности и условным обозначением:
6. Логический элемент ИЛИ-НЕ, операция отрицание элемента ИЛИ 
, иллюстрируется таблицей истинности и условным обозначением:
7. Элементы И и И-НЕ с тремя входами, логические операции которых 
и 
, иллюстрируется таблицей истинности и условными обозначениями:
Асинхронный RS-триггер. Устройство, принцип действия
Триггер имеет информационные входы R и S , а также информационные выходы: прямой Q и инверсный . Вход R (от английского слова Reset) является входом…Лекция 18
Синхронный RS-триггер. Устройство, принцип действия
На рис.9.5 изображено условное обозначение синхронного RS-триггера. Рис.9.5. Условное обозначение синхронного RS-триггераСинхронные D-триггер. Устройство, принцип действия
D - триггера. Триггер имеет два входа: информационный D и синхронизирующий C, а также два выхода: прямой Q и инверсный . Согласно таблице истинности, при подаче на синхронизирующий вход C сигнала…Шифратор. Устройство, принцип работы
Из таблицы истинности видно, что выходу x1 будет соответствовать лог. 1, если одна из входных переменных y1, y3, y5, y7, y9 будет также иметь лог.… Рис.9.9. Символическое изображение шифратора и его таблица истинностиДешифратор. Устройство, принцип работы
Рис.9.11. Символическое изображение дешифратора и его таблица истинносити Рассмотрим построение дешифратора по его таблице истинности. Значения входных переменных определяются логическими…Лекция 19
Регистры. Устройство, принцип работы
На рис.9.13 изображено условное обозначение и схема четырёхразрядного регистра параллельного действия, построенного на синхронных D – триггерах.… B исходное нулевое состояние логических сигналов на всех выходах Q1 ÷… регистр устанавливается при подаче на синхронизирующий вход С сигнала лог.1 и на все информационные входы D сигнала…БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Данилов И.А., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники. Учебное пособие для неэлектрических специальностей вузов. – М.: Высшая школа, 2005. – 752с.
2. Китунович Ф.Г. Электротехника. Учебник. – Минск.: Высшая школа, 1999. – 400с.
3. Касаткин А.С., Немцов М.В. Курс электротехники. Учебник для неэлектрических специальностей вузов. – М.: Высшая школа, 2005. – 542с.
4. Рекус Г.Г. Чесноков В.И. Лабораторный практикум по общей электротехнике и основам электроники. Учебное пособие для неэлектрических специальностей вузов. – М.: Высшая школа, 2005. – 542с.
5. Рекус Г.Г. Белоусов А.И. Сборник задач и упражнений по электротехнике и основам электроники. Учебное пособие для неэлектрических специальностей вузов. – М.: Высшая школа, 2005. – 416с.
6. Иванов Е.Н. Электротехника и электроника. Учебное пособие. – СПб.: ФГОУ
ВПО «СПГУВК», 2011.-220с.
CОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………. 3 Лекция 1………………………………………………………………………………….4 1. Электрические цепи постоянного тока. ………………………………………….. 4Иванов Евгений Николаевич
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА
Конспект лекций