Электротехника шпаргалка на экзамен

Шпаргалка по электротехнике содержит следующие темы курса:

1. Основные понятия и законы электрических цепей.

2. Положительное направление электрического тока и напряжения.

3. Электрическая энергия, электрическая мощность.

4. Электрическая схема.

5. Топография электрических схем.

6. Законы Кирхгофа.

7. Методы анализа линейных электрических цепей постоянного тока элементарная база и обозначения.

8. Метод Кирхгофа.

9. Мощность цепи синусоидального тока.

10. Изображение периодических процессов с вращающимися векторами на плоскости.

11. Комплексное изображение напряжений на r l c.

12. Эквивалентный двухполюсник.

13. Резонансные явления в линейных электрических цепях.

14. Метод контурных токов.

15. Метод узловых потенциалов (муп).

16. Метод наложения. Принцип наложения.

17. Понятие о входных и взаимных проводимостях.

18. Принцип взаимности.

19. Теорема компенсации.

20. Теорема вариаций (изменения токов ветвей, вызванные приращением сопротивления одной ветви).

21. Метод двух узлов.

22. Преобразование звезды в треугольник и обратно.

23. Метод эквивалентного генератора.

24. Разные методы расчета цепей постоянного тока.

25. Составление баланса мощностей.

26. Методы анализа линейных электрических цепей переменного тока.

27. Анализ цепей при гармонических воздействиях вид временной диаграммы.

28. Среднее и действующее значение гармонического сигнала (тока).

29. Выражение для мгновенной мощности.

30. Сопротивление, индуктивность и емкость в цепях синусоидального тока.

31. Последовательное соединение r, l, c.

32. Параллельное соединение r, l, c.

ОСНОВНЫЕ
ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Электрическая
цепь – совокупность устройств,
предназначенных для протекания
электрического тока, электро-магнитные
процессы в которых могут описаны с
помощью понятий ток и напряжение.
Схема электрической цепи: источник
эл. энергии 
промежуточные устройства 
приемник электрической энергии.
Источник электрической энергии –
любое устройство, предназначенная
для преобразования любого вида энергии
в электрическую. Приемник электрической
энергии – устройство для преобразования
электрической энергии в другой лбой
вид энергии. Промежуточные устройства
– соединительные провода, фильтры,
усилители и т.д. Любая электрическая
цепь состоит из элементов, которые
можно разделить на активные – источники
и пассивные – резисторы, катушки
индуктивности, конденсаторы, ПП-приборы
и т.д. Под расчетом цепи понимается
расчет тока в первую очередь.

ПОЛОЖИТЕЛЬНОЕ
НАПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА И
НАПРЯЖЕНИЯ

Электрический
ток – упорядоченное движение
электрических зарядов. Обозначение:
i,
I,
i(t)=i=dq/dt,
i
– мгновенное значение тока,

единицы
измерения [A]
амперы. Положительное направление

тока
задается произвольно, если со знаком
“-“, то направление

другое.
Электрическое напряжение: u,
U;
u
– мгновенное

значение.
U12=φ1
– φ2
[В] вольты. Направление падающего

потока
– от 1 кг. U21=φ2
– φ1=
— U12

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ
ЭНЕРГИЯ, ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ МОЩНОСТЬ

dω=udq=U
i
dt

элементарная работа и элементарнаяэнергия.

p=dω/dt
– мгновенная мощность, скорость
излучения энергии измеряется в [Вт]
ватах. p=U
i
>=< 0, если p>0,
то поток энергии направлен к данному
участку. Если P<
0, то от него, если p=0,
то стоит.

(см.
рисунок) В противоположном направлении
напряжение и

ток.

ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СХЕМА

Это графическое
изображение электрической цепи. Схема
замещения – это схема, в которой
реальные элементы электрических цепей
представляются с помощью идеализированных
элементов: 1) сопротивление, 2)
индуктивность, 3) емкость, 4) взаимная
индуктивность, 5) идеальный источник
ЭДС, 6) идеальный источник тока.

(1)
Сопротивление – это идеализированный
элемент электрической

цепи,
приближенно заменяющий резистор для
преобразования

электрической
энергии в тепловую. R[Ом]
омы.

Вольт-амперная
характеристика, см. рисунок

U(индекс
R)=f (i); U(инд.R)=R(i)*i;
R=const,

R≠f
(i); U(идн.
R)=R*i – закон
Ома.
P(инд.R)=

=U(инд.R)*i=R*i(c.2)>0
– линейная мощность

на
сопротивлении больше нуля, т.к. на
сопротивлении энергия только
потребляется. Характеристика обратная
сопротивлению: G=1/R[Ом(с.-1)]=

=[См]
– сименсы. (2) Индуктивность – это
идеальный элемент, замяющий реальную
катушку индуктивности и отражающий
факт накопления энергии магнитного
поля на данном участке цепи.

L[Гн]
Генри. Вольт-амперная харктеристика
на

рисунке
справа. ψ=f(i),
ψ=wФ;
w
– число витков

на
единицу потокосцепления. ψ=L(i)i
для линейного

участка:
ψ=L*i;
e
(и. L)=
— w
dФ/dt=
— dФ/dt;

U(и.
L)= — e (и.
L)=L di/dt; P (и.
L)=U(и.
L)* L=L i di/dt >< 0. W
– энергия магнитного поля, которое
накапливается на индуктивностию,

Wм
=∫[-∞; t]
P(и.
L)dt=∫[-∞;
t]L
i
di/dt=L
i
(c.2)/2;
L(-∞)=0.
Если часть магнитного потока, связанного
с одним магнитным элементом одновременно
связана с другим, то эти 2 индуктивных
элемента, кроме параметров L1
и L2
обладают еще и параметром M,
называемой взаимной индуктивностью.
M[Гн]
генри, он обозначает не какой-то
отдельный элемент цепи, а связь между
2-мя элементами.

3)
Емкость – это идеализированный элмент
электрической цепи приближенно
заменяющий конденсатор и отражающий

факт
наполнения энергии электрического
поля.

q=C(U)*U
для линейного участка, q=CU.
i=dq/dt;

i=C
dU/dt; Uc=1/C ∫[-∞; t]idt=Uc(0) + 1/C ∫[0; t]idt;

Uc(0)=1/C
∫[- ∞;0]idt; Pc=Uc * i=C Uc dUc/dt ><0; Wэ=∫[-∞;
t]Pc dt=∫[0; t]C * * Uc dUc=C Uc(c.2)/2; Uc(-∞)=0.

4)
Источник ЭДС. Идеальный источник ЭДС
– это активный элемент с двумя выводами,
напряжение на которых не зависит от
протекающего через источник тока.
Внутри идеального источника ЭДС
отсутствуют пассивные элементы.
(Rвн=0),
поэтому прохождение тока не вызывает
падение напряжения. Реальный источник
имеет

внутреннее
сопротивление Rвн.

U21=U31
– U32=E
– RI;

i
= (E – U21)/Rвн.
= (U12 + E)/Rвн.
–

обобщенный
закон Ома для участка

цепи.
Воль-амперная характеристика на
рисунке —.

5)
Мгновенная мощность – p(t)=U21*i;

Идеальный
источник – p(t)=E
i>0,
реальный – p(t)=E
i
Rвн.*

*i(c.2)><0.

6)
Источник тока. Идеальный источник
тока – это

активный
элемент, ток которого не зависит от
приложенного напряжения. Внутреннее
сопротивление идеального источника
тока бесконечно велико (Rвн=∞),
поэтому параметры внешней цепи не
влияют на ток источника.

J
– ток источника тока.

Реальный
источник тока

обладает
сопротивлением

или
не нулевой проводи-

мостью.
Gвн
–

проводимость
внутр.

Gвн=1/Rвн;
i=J – i (и. G);
i=J
– U21
Gвн
= J
– U21/Rвн;
если J=E/Rвн,

i=(E
– U21)/Rвн.
Совпадение вольт-амперной характеристики
источника тока и ЭДС говорит об
эквивалентности этих источников. Один
и тот же реальный источник электрической
энергии на схеме замещения может быть
представлен как в виде реального
источника ЭДС, так и в виде реального
источника тока.

ТОПОГРАФИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СХЕМ

Геометрическими элементами электрической
схемы являются ветви, узлы, контура.
Ветвь образуется одним или несколько
последовательно соединенными элементами
электрической схемы (нарисовать). Узел
– место соединения 3-х и более ветвей
(нарисовать пример). Любой путь
(замкнутый) проходящий по нескольким
ветвям называется замкнутым контуром
(нарисовать).

ЗАКОНЫ КИРХГОФА

1) Алгебраическая
сумма токов в узле равна нулю.

i1
– i2
+ i3
– i4
=0, i1
+ i3
= i2
+ i4;

2)
Алгебраическая сумма падений напряжений
в

замкнутом
контуре равна алгебраической сумме
ЭДС

в
этом контуре R1
i1
– L2
di2/dt
– R4
i4=E1
– E3
– E4.

2-я
формулировка: алгебраическая сумма
напряжений

в
замкнутом контуре равна нулю R1i1
– E1
–

—
L2
di2/dt
+ E3
+ E4
– R4i4=0.

МЕТОДЫ АНАЛИЗА
ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО
ТОКА

ЭЛЕМЕНТАРНАЯ
БАЗА И ОБОЗНАЧЕНИЯ

I≠f(t)
ток не меняется с течением

времени,
U, E, J }≠f(t).

При
расчете цепей постоянного

тока
участки с индуктивностью

закорачиваются,
участки с емкостью

размыкаются.

МЕТОД КИРХГОФА

Дано:
Rk,
k=1÷6,
Ej,
J6,
найти: Ik.
По 1-му

закону
Кирхгофа составляется количество

уравнений
раное
числу
узлов.

1)
I1 – I4 – I6 = 0, 2) I2 + I4 – I5 =0,

3)
– I3 + I5 +I6 =0. Уравнение
по второму

закону
Кирхгофа составляется для

нехависимых
контуров не содержащих

источников
тока. Независимые контура

отделяются
друг от друга хотя бы 1-ой новой ветвью.
Для контура с источником тока 2-е
уравнение кирхгофа составить нельзя,
т.к. R=∞.

4)
I: R1 I1 – R2 I3 + R4 I4 = E1 – E2 – E4; 5) II: R2 I2 + (R3’
+ R3’’) I3 +

+
R5
I5
= E2
– E5;
I6=J6.
Решая систему находим все токи.
Достоинства: универсальность, пригоден
для расчета абсолютно всех электрических
цепец. Недостаток: трудоемкость.

МЕТОД КОНТУРНЫХ
ТОКОВ

Рисунок
смотри выше. В МКТ в качестве неизвестных
выступают контурные токи, это абстракные
величины; контурные токи замыкаются
по независимым контурам. Причем если
в схеме есть источник тока, то через
каждый источник замыкается по 1-му
контурному току, величина которых в
дальнейшем считается известной и
равной токам источников. I33=J6.
Выразим
токи
в
ветвях
через
контурные
токи,
для
этого
I1=I11, I2=I22-I11, I3=I22, I4=I11-I33, I5=I22-I33}. Подставим
это в уравнение состояний по 2-му закону
Кирхгофа и сгруппируем слагаемые
{(R1+R2+R4)I11-R2I22-

-R4I33=E1-E2-E4,
-R2I11+(R2+R3’+R3’’+R5)I22-R5I33=E2-E5,
I33=J6}.
Полученная система называется системой
контурных уравнение. Можно представить
в формализованном виде.
{R11I11+R12I22+R13I33=E11,

R21I11+R22I22+R23I33=E22,
I33=J6};
Rkk
– контурное сопротивление, оно равно
сумме всех сопротивлений входящих в
данный контур, R11=R4+R1+R2,
R22=R5+R3’+R3’’;
Rkj
– сопротивление ветвей общих для k-го
и j-го
контуров. Rkj
со знаком +, если направление k-го
и j-го
контурных токов через эту ветвь
совпадают, и -, если нет; Rkj=Rjk;

R12=R21=
-R2,
R13=
-R4,
R23=
— R5;
Ekk
– контурное ЭДС равное сумме ЭДС
контура; E11=E1-E2-E4;
E22=E2-E5.
Найденные контурные токи подставляются
в первоначальную систему и находятся
все токи.

МЕТОД УЗЛОВЫХ
ПОТЕНЦИАЛОВ (МУП)

Рисунок
выше. В методе МУП в качестве неизвестных
выступают потенциалы узлов. Далее
зная потенциалы составляют закон Ома
для обобщенной ветви и находятся токи
в ветвях. Количество уравнений в МУП
равно количеству уравнений составленных
по 1-му закону Кирхгофа. φ1,
φ2,
φ3.
Потенциал 4-го узла φ4=0. Заземлить можно
любой узел. Выразим токи в ветвях через
закон Ома для обобщенной цепи:
{I1=φ4-φ1+E1
/R1;
I2=φ4-φ2+E2
/R2;
I3=φ3-φ4
/R3’+R3’’;
I4=φ1-φ2-E4
/R4;
I5=φ2-φ3-E5
/R5}.

Подставим
это в уравнение состояния по 1-му закону
Киргофа и сгруппируем слагаемые.
{φ1(1/R1+1/R4}
– φ2(1/R4)
– φ3*0=E1/R1+E4/R4
–

—
J6; -φ1(1/R4)
+ φ4(1/R2+1/R4+1/R5)
– φ3(1/R5)
= E2/R2 – E4/R4 + E5/R5;

φ1*0
– φ2(1/R5)
+ φ3(1/(R3’+R3’’)
+1/R5)= -E5/R5 + J6;};

{φ1G11+φ2G12+φ3G13=J11;
φ1G21+φ2G22+φ3G23=J22;
φ1G31+φ2G32+

+φ3G33=J33};
Gkk
– узловая проводимость в соответствующих
узлах. Она равна сумме проводимостей
всех ветвей, подключенных к к-ому узлу.

Отношение
1/R
ветви с источником тока будет равно
нулю, т.к. R=
∞.

G11=1/R1
+ 1/R4;
G22=1/R2
+ 1/R4
+ 1/R5;
G33=1/(R3’+R3’’)
+ 1/R5;

Gkj
– проводимость ветвей общих для к-го
и j-го
узлов (всегда со знаком “-”). G12=G21=
-1/R4;
G13=G31=0;
G23=G32=
-1/R5.
Если между 2-мя узлами отсутствует
ветвь напрямую их соединяющая, то
общая проводимость равна нулю. Узловой
ток к-ого узла равный алгебраической
сумме токов источников тока подключенных
к к-му узлу токов, получаемых отделением
ЭДС на сопротивление ветвей подключенных
к к-му узлу.

I11
= E1/R1 + E4/R4 – J6; J22 = E2/R2 – E4/R4 + E5/R5; J33 = —
E5/R5 + J6;

Частный
случай: Если между к-м и j-м
узлом включено идеальное ЭДС, то
уравнения узловых потенциалов для
этих узлов не составляются., φj
– φk=E.
Часто заземляют один из этих узлов,
тогда уравнения принимают вид φk=0,
φj=E.

МЕТОД НАЛОЖЕНИЯ.
ПРИНЦИП НАЛОЖЕНИЯ.

Рисунок
выше, там где метод кирхгофа.

Ikk=(1/∆)
*Σii
∆ik; I11=I1=(1/∆)*{(E1-E2-E4+R4J6)*∆11 – (E2-

-E5+R5J6)∆12}=(1/∆)*{E1R22
– E2(R22+R21)+E4R22+E5R21+J6(R4R22-

-R5R21)}.
– математическая запись принципа
наложения для тока I1.

ПРИНЦИП
НАЛОЖЕНИЯ (для линейных цепей): если
в цепи действует несколько источников,
то ток в каждой ветви будет равен
алгебраической сумме частичных токов,
создаваемых каждым источником в
отдельности.

АЛГОРИТМ
МЕТОДА НАЛОЖЕНИЯ: 1) устраняются все
исотчники кроме одного, при этом
источники ЭДС закарачиваются, источники
тока размыкаются, 2) определяются
чатичные токи во всех ветвях, создаваемые
данным источником, 3) исключается
рассмотренный источник, подключается
следующий, определяются частичные
токи, создаваемые данным источником,
4) определяются истинные токи в ветвях
как алгебраическая сумма частичных
токов Ik=Ik’+Ik’’+Ik’’’+…+Ik(c.n),
n
– число источников. Метод неудобен
для расчета цепей с большим количеством
источников и неприемлен

для
расчета нелинейных цепей, но

незаменим
при расчете цепей

несинусоидального
тока.

ФОРМУЛА
РАЗБРОСА ТОКОВ

(см.
рисунок).

ПОНЯТИЕ О ВХОДНЫХ И
ВЗАИМНЫХ ПРОВОДИМОСТЯХ.

Рассмотрим
сполошную пассивную цепь, выделим в
ней

к-ю
ветвь, в которую подключим источник
Ek.
Если

через
к-ю и m-ю
ветвь цепь замыкается только

один
контурный ток, то выражения для токов
будут:

Ik=Ek
∆kk
/ ∆ = Ek
Gkk;
Im=Ek
∆km
/ ∆ = Ek
Gkm.

Взаимная
проводимость к-й и m-й
цепи:

Gkm=Im/Ek=∆km/∆
(величина определяется экспериментально).

Она
зависит от параметров цепи, но может
быть и определена экспериментально.
Только путем измерения тока в пассивной
цепи, создаваемого единственной ЭДС
включенной в к-ю ветвь. Gkm=Gmk
т.к. ∆km=∆mk.

ПРИНЦИП ВЗАИМНОСТИ

Im=Ek*Gkm;
Ik=Em*Gmk;

Если
Em=Ek,
то Ik=Im.

ТЕОРЕМА КОМПЕНСАЦИИ

В
любой электрической цепи без изменения
токораспределения сопротивление
можно заменить ЭДС, численно равной
падению напряжения на заменяемом
сопротивлении и направленной встречно
току в этом сопротивлении. Док-во:
выделим из схемы одну ветвь (R Ом, I
A),
а всю остальную часть схемы обозначим
прямоугольником. Если в выделенную
ветвь включить две одинаковых и
противоположно направленных ЭДС,
численно равных падению напряжения
на R
под действием тока I
(E=IR),
то ток I
в цепи от этого не изменится. Разность
потенциалов между точками a
и с будет равна нулю: φc=φa
– IR
+ E
=

=φa
– IR
+ IR
= φa.
Если так, то точки a
и c
объединить в одну, т.е. закоротить
участок ас. И получим схему – см.
рисунок (кстати

рисунок с
сопротивлением рисуйте сами).

ТЕОРЕМА ВАРИАЦИЙ
(изменения токов ветвей, вызванные
приращением сопротивления

одной ветви).

Возьмем
такую цепь как на

первом
рисунке, проводимости

g12
и g22
полагаем известными.

Пусть
сопротивление ветви 2 изменилось на
∆R,
токи станут I1+∆I1
и

I2+∆I2.
По теореме компенсации заменим ∆R
на ЭДС. ∆Е=∆R(I2+∆I2),

направленную
встречно току I2.
На основании принципа наложения можно
сказать, что приращения токов ∆I1
и ∆I2
вызваны ЭДС ∆Е, а часть схемы в
прямоугольнике стала пассивной. Т.к.
сумма внутренних соединений и значения
сопротивлений в схеме остались без
изменений, то проводимости g12
и g22
также не меняются. ∆I1=-∆E
g21
= -g21∆R(I2+∆I2);

∆I2=
-∆E
g22
= -g22∆R(I2+∆I2);
∆I2=
-g22∆RI2/(1+∆R
g22);
∆I1=

= -g21∆RI2/(1+∆Rg22).
Эти соотношения позволяют определить
изменение токов в ветвях 1 и 2, вызванные
изменениям сопротивления в ветви 2.

МЕТОД ДВУХ УЗЛОВ

Рассмотрим
схему, содержащую всего 2 узла.

Под
методом двух узлов понимают метод
расчета

электрических
цепей, в котором за искомое принимают
напряжение между двумя узлами схемы.
In=(En
– Uab)gn.
Ток к узлу а и b

не
подтекает. Поэтому если принять I=0,
то

Uab=(ΣEk
gk
+ ΣIk)/Σgk
– напряжение. После этого можно найти
ток в любой ветви: In=(En
– Uab)gn.

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ
ЗВЕЗДЫ В ТРЕУГОЛЬНИК И ОБРАТНО.

Соединение
3-х сопротивлений,

имеющие
вид трелучевой звезды

называется
соединением ЗВЕЗДА, а

соединение
3-х сопротивлений так,

что
они образуют собой стороны

треугольника
– соединением

ТРЕУГОЛЬНИК.
Если преобразование

выполнить
так, что при одинаковых

значениях
потенциалов одноименных

точек
треугольника и звезды подтекающие к
этим точкам токи одинаковы, то вся
внешняя схема не заметит замены. Для
звезды:
I1+I2+I3=0,

I1=(φ1-φ0)g1;
I2=(φ2-φ0)g2; I3=(φ3-φ0)g3. Подставим:
φ1g1+φ2g2+φ3g3-

-φ0(g1+g2+g3)=0;
φ0=(φ1g1+φ2g2+φ3g3)/(g1+g2+g3); Теперь
введем
φ0
в
выражение
для
тока
I1=(φ1(g2+g3)-φ2g2-φ3g3)g1/(g1+g2+g3);

Для
треугольника:
I1=I12-I31=(φ1-φ2)g12 – (φ3-φ1)g13=φ1(g12+g13) –

—
φ3g13
– φ2g12.
Т.к. токи с одинаковыми индексами равны
на обеих схемах при любых потенциалах,
то φ2, φ3 тоже не меняется. Значит:

g12=g1g2/(g1+g2+g3);
g13=g1g3/(g1+g2+g3);
g23=g2g3/(g1+g2+g3).
Выразим сопротивления: R=1/g;

R12=
[ (1/R1)+(1/R2)+(1/R3)
]/[ (1/R1)*(1/R2)]
= m/R3,
где m=R1R2+

+R2R3+R3R1;
R23=m/R1;
R13=m/R2;
Подставим: m=m(c.2)*

*((1/R23R13)+(1/R13R12)+(1/R12R23))=m(c.2)*(R12+R23+R31)/R12R23R13;

m=R12R23R31/(R12+R23+R31);
R1=R12R31/(R12+R23+R31);

R2=R23R12/(R12+R23+R31);
R3=R13R23/(R12+R23+R31).

МЕТОД ЭКВИВАЛЕНТНОГО
ГЕНЕРАТОРА

теорема
об эквивалентном генераторе: Если в

сложной
цепи выделить 1 ветвь, то всю оставшуюся

часть
цепи можно представуить эквивалентным

генератором
с двумя параметрами: Eэг
и Rвн,
где

Eэг=Uxx,
а Rвн=Rвхab.
a,
b
– зажимы, к которым

подключена
выделенная ветвь. На рисунке

показано,
как определить ток I4
в ветви, там где

вместо
ветви Uxx.
Сначало определим потенциалы 1-го и
2-го узлов в отсутствии ветви с
сопротивлением R4.
Это делаем как в методе узловых
потенциалов, только выкидываем
сопротивление R4,
придется опять ебаться с этим методом
Гаусса, так что лучше один узел иметь
заземленным. Uxx
= φ1
– φ2;
Теперь нужно знать входное сопротивление

Rвх
= R13
+ [ (R23
+ R5)
(R12
+ R6)
/ (R23
+ R5
+ R12
+ R6)
]

Находим
теперь ток I4
= Uxx
/ (Rвн
+ R4);
здесь E
ветви = 0, т.к. в первоначальной схеме
на ветви нету источников ЭДС.

АЛГОРИТМ
МЕТОДА: 1. разомкнуть интересующую нас
ветвь. 2. любым методом определить Uxx
на зажимах разомкнутой ветви. 3.
определить Rвходное,
предварительно устранив все источники
ЭДС (закарачиваются) и источники тока
(размыкаются). I=(Uxx+E)/(Rвх+R).
4. определить ток по закону Ома для
полной цепи. Если в интересующей нас
ветви есть источники ЭДС, то они
учитываются.

РАЗНЫЕ МЕТОДЫ РАСЧЕТА
ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

I1=(φ1
– φb + E1)/R1; I2=(φc – φb)/R2;

I3=(φc
– φa – E3)/R3; I4=I3-I1; I5=I1+I2; I6=I2+I3;

Теперь
надо построить потенциальную диаграмму.

Для
этого обходим контур с точки а и т.д.
и

пока
снова в а не прийдем.

И
отмечаем по оси OY
потенциалы узлов или

точек
чтоли :), ну и короче по OX
ставим R,

причем
надо прибавлять следующее сопротивление
к последующему (однако потенуиалы
складывать ненужно!), таким образом
обходим весь контур и получаем
потенциальную диаграмму, строим
график, отмечаем там полученные точки
названиями узлом. φd=φa+E1;
φf=φc
– E3.

СОСТАВЛЕНИЕ БАЛАНСА
МОЩНОСТЕЙ

Электрическая
мощность, потребляемая всеми приемниками
цепи, равна

электрической
мощности, генерируемой всеми источниками.

Вообщем
чтобы муть не разводить, вот конкретный
пример из моей расчетки, как и че
делать, подгоняйте сами под свою
задачу:

ΣPист
= E5 I5 + E6 I6 + Ek3 I2; ΣPпр
= R1 I12 + R2 I22 + R3 I32 + R4 I42 +

+
R5 I52 + R6 I62; ΣPист
= ΣPпр.

МЕТОДЫ АНАЛИЗА ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
ЦЕПЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.

АНАЛИЗ
ЦЕПЕЙ ПРИ ГАРМОНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

ВИД
ВРЕМЕННОЙ ДИАГРАММЫ

x(t)
– мгновенное значение сигнала,

x(t):
{i(t)A, U(t)В,
P(t)Вт;
Xm – амплитуда

гармонического
сигнала (всегда >0). T
– период(с)

f=1/T
[Гц][c(c.-1)]
– циклическая частота.

ω=2πf[рад/с][c(c.-1)]
Круговая частота, f=50Гц,

ω=312рад/с,
X(t)=Xm*sin(ωt+ψx);

ψx
– начальная фаза сигнала [град][рад]
(может быть разной);

ωt+ψx
– фаза сигнала. Величина ψx
зависит от точки отсчета, ψх<=360градусов,
т.O2
– ψx=360
|ψx2|,
т. O2
– ψx<0
|ψx3|,
т. О2 – ψx=0,

т.
O3
– ψx>0

СРЕДНЕЕ И ДЕЙСТВУЮЩЕЕ
ЗНАЧЕНИЕ ГАРМОНИЧЕСКОГО СИГНАЛА
(ТОКА).

В
математике Fср=(1/T)*∫[0
– T]f(t)dt.
В электротехнике под средним значением
понимают среднее значение за половину
периода:

Iср=(1/(T/2))*∫[0
– T/2]Im sinωtdt=(2Im/Tω)*(cosωt)
|[0 – T/2]=

=|ω=2πf=2π/T,
ωT=2π|=(2Im/2π)*(cos0
– cosπ)=2Im/π=0,637Im,
где
Im – это
амплитудное
значение
тока.
Uср=0,637Um.
Действующее значение гармонического
тока равно такой величине постоянного
тока, которая по своему тепловому
воздействию на проводник эквивалентно
данному гармоническому току. Действующее
значение
тока:
I=√(1/T)*∫[0-T]i(c.2)dt=

=√(1/T)*∫[0
– T] Im(c.2)*sin(c.2)ωtdt=Im/√2`;
I=Im/√2=0,707Im, U=Um/√2=

=0,707Um.

ВЫРАЖЕНИЕ
ДЛЯ МГНОВЕННОЙ
МОЩНОСТИ

P(t)=U(t)*i(t)=Um*sin(ωt+ψu)*Im*sin(ωt+ψi)=(UmIm/2)*(cos(ψu
— ψi)
–

—
cos(2ωt+ψu+ψi))=UI(cosφ
+ cos(2ωt+ψu+ψi));
φ=ψu
– ψi
–
сдвиг
по
фазе.

СОПРОТИВЛЕНИЕ,
ИНДУКТИВНОСТЬ И ЕМКОСТЬ В ЦЕПЯХ
СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА.

1)
i(t)=Im sin(ωt+ψi);
U(индекс
R)(t)=R i(t)=Rim sin(ωt+ψi)=

=Um
sin(ωt+ψu);
Um=RIm; φ=ψu
– ψi=0;
P(инд.R)=

=UI(cosφ-cos(2ωt+ψu+ψi))=UI(1-cos(2ωt+2ψi));

0≤P(инд.R)(t)≤2UI;

2)
i(t)=Imsin(ωt+ψi);
U(инд.L)=Ldi/dt=ωLImcos(ωt+ψi)=ωLImsin(ωt+ψi+π/2);

Um=ωLIm;
ψu=ψi+π/2;
Um/Im=ωL=X(инд.L)
[Ом] – индуктивное сопротивление.
Im/Um=1/ωL=B(индексL)
[См] индуктивная проводимость.

P(индекс
L)(t)=UI(cosφ
– cos(2ωt+ψu+ψi))=
-UI(cos(2ωt+2ψi+π/2);

P(инд.L)>0
то |i1|
направлен вверх, P(инд.L)<0
то |i2|
направлен вниз. Индуктивность является
реактивном элементом, четверть периода
накапливает энергию, четверть периода
– отдает.

3)
U(t)=Um sin(ωt+ψu);
i(t)=CdU/dt=ωCUm
cos(ωt+ψu)=

=ωCUm
sin(ωt+ψu+π/2)=Im
sin(ωt+ψi);
Im=ωCUm;
ψi=ψu+π/2;
φ=ψu-ψi=π/2;

Um/Im=1/ωC=Xc
[Ом] емкостное сопротивление, Im/Um=ωC=Bc
[Ом] емкостная проводимость. Pc(t)=UI(cosφ
– cos(2ωt+ψu+ψi))=

=
— UI
cos(2ωt+2ψi
– π/2);
Pc>0,
|Uc|
направлено вверх, Pc<0,
|Uc|
направлено вниз. Емкость тоже реактивный
элемент, ¼ T
накапливает, ¼ T
отдает.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ
СОЕДИНЕНИЕ R,
L,
C

i(t)=Im
sin(ωt+ψi);
U(t)=U(инд.R)+U(инд.L)+Uc=

=RIm
sin(ωt+ψ0)+ωLIm
sin(ωt+ψi+π/2)+

+(1/ωC)*Im*sin(ωt+ψi
– π/2)=Um
sin(ωt+ψu).

Пусть
ψi=0
тогда ψu=φ;

1)
момент времени ωt=0;
(ωL
– 1/ωC)Im=Um
sinφ
(1)

2)
ωt=π/2;
RIm
Umcosφ
(2). Возведем выражения (1) и

(2)
в квадрат и сложим их: (R(c.2)+(ωL
– 1/ωC)(c.2))*

*Im(c.2)=Um(c.2);
Um/Im=√R(c.2)+(ωL
– 1/ωC)(c.2)`=Z
[Ом] – полное сопротивление участка
цепи; ωL
— 1/ωC
= X(инд.L)
– Xc=X[Ом]
– реактивное сопротивление цепи.
Z=√R(c.2)+X(c.2)`;
Um=ZIm;
U=ZI;

Разделим
(1) на (2): tgφ=(ωL
– 1/ωC)/R;
φ=arctg[(ωL
– 1/ωC)/R]=arctgX/R;

—
π/2
≤φ≤π/2.
Если φ>0,
ωL>1/ωC
– индуктивный характер цепи;

Если
φ<0,
ωL<1/ωC
– емкостный характер цепи, Если φ=0,
ωL=1/ωC
– цепь носит активный характер. P(t)=UI
(cosφ
– cos(2ωt+ψi+ψu));
cosφ>0,

—
π/2
≤ φ
≤ π/2

ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ
СОЕДИНЕНИЕ R, L,
C

U(t)=U(инд.m)sin(ωt+ψ(инд.u)),
ψ(инд.u)=0,
i(t)-?

i(t)=i(инд.R)+i(инд.L)+i(инд.C)
= GU(инд.m)sinωt
+

+
(1/ωL)*U(инд.m)sin(ωt
– π/2) +

+
ωCU(инд.m)sin(ωt+π/2)
= I(инд.m)sin(ωt+ψ(инд.i))=

=I(инд.m)sin(ωt-φ).
Проделав
операции аналогичные проделанным для
последовательного соединения, получим
следующие соотношения:

Электротехника и электроника

Линейные электрические цепи постоянного тока

  Электрическая цепь и ее основные элементы

Электрическая цепь — совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятии об электродвижущей силе, токе и напряжении.

Простейшая электрическая установка состоит из источника (гальванического элемента, аккумулятора, генератора и т. п.), потребителей или приемников электрической энергии (ламп накаливания, электронагревательных приборов, электродвигателей и т. п.) и соединительных проводов, соединяющих зажимы источника напряжения с зажимами потребителя. Т.е. электрическая цепь — совокупность соединенных между собой источников электрической энергии, приемников и соединяющих их проводов (линия передачи).

Основные элементы цепи. Все электроприемники характеризуются электрическими параметрами, среди которых основные — напряжение и мощность. Для нормальной работы электроприемника на его зажимах необходимо поддерживать номинальное напряжение.

Элементы электрической цепи делятся на активные и пассивные. К активным элементам электрической цепи относятся те, в которых индуцируется ЭДС (источники ЭДС, электродвигатели, аккумуляторы в процессе зарядки и т. п.). К пассивным элементам относятся электроприемники и соединительные провода.

Элементы электрической цепи, обладающие электрическим сопротивлением и называемые резисторами, характеризуются так называемой вольт-амперной характеристикой — зависимостью напряжения на зажимах элемента от тока в нем или зависимостью тока в элементе от напряжения на его зажимах.

Если сопротивление элемента постоянно при любом значении тока в нем и любом значении приложенного к нему напряжения, то вольт-амперная характеристика прямая линия и такой элемент называется линейным элементом.

В общем случае сопротивление зависит как от тока, так и от напряжения. Одна из причин этого состоит в изменении сопротивления проводника при протекании по нему тока из-за его нагрева. При повышении температуры сопротивление проводника увеличивается. Но так как во многих случаях эта зависимость незначительна, элемент считают линейным.

Электрическая цепь, электрическое сопротивление участков которой не зависит от значений и направлений токов и напряжений в цепи, называется линейной электрической цепью. Такая цепь состоит только из линейных элементов, а ее состояние описывается линейными алгебраическими уравнениями.

Если сопротивление элемента цепи существенно зависит от тока или напряжения, то вольт-амперная характеристика носит нелинейный характер, а такой элемент называется нелинейным элементом.

Электрическая цепь, электрическое сопротивление хотя бы одного из участков которой зависит от значений или от направлений токов и напряжений в этом участке цепи, называется нелинейной электрической цепью. Такая цепь содержит хотя бы один нелинейный элемент.

Закон Ома для замкнутой цепи и для участка цепи

Сила тока прямо пропорциональна разности потенциалов (напряжению) на концах участка цепи и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка:

I = U/R  — Закон Ома для замкнутой цепи,

Где I — Сила тока в цепи. Измеряется в Амперах

U – напряжение на данном участке цепи

R – сопротивление данного участка цепи

Закон ома для замкнутой цепи говорит о том что: величина тока в замкнутой цепи, которая состоит из источника тока обладающего внутренним сопротивлением, а также внешним нагрузочным сопротивлением, будет равна отношению электродвижущей силы источника к сумме внешнего и внутреннего сопротивлений.

E Электродвижущая сила источника тока измеряется в Вольтах

где R Сопротивление внешней цепи измеряется в Омах

r внутреннее сопротивление источника тока также измеряется в Омах.

Законы Кирхгофа для цепи постоянного тока

Первый закон Кирхгофа

В любом узле электрической цепи алгебраическая сумма токов равна нулю

,

где m – число ветвей подключенных к узлу.

При записи уравнений по первому закону Кирхгофа токи, направленные к узлу, берут со знаком «плюс», а токи, направленные от узла – со знаком «минус».

Например, для узла а (см. рис. выше) I−I₁−I₂=0.

Второй закон Кирхгофа

В любом замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме падений напряжений на всех его участках.

где n – число источников ЭДС в контуре;

m – число элементов с сопротивлением Rk в контуре;

Uk=RkIk – напряжение или падение напряжения на k-м элементе контура.

Для схемы (рис. выше) запишем уравнение по второму закону Кирхгофа:  E=U_R+U₁.

Если в электрической цепи включены источники напряжений, то второй закон Кирхгофа формулируется в следующем виде: алгебраическая сумма напряжений на всех элементах контру, включая источники ЭДС равна нулю.  

При записи уравнений по второму закону Кирхгофа необходимо:

1) задать условные положительные направления ЭДС, токов и напряжений;

2) выбрать направление обхода контура, для которого записывается уравнение;

3) записать уравнение, пользуясь одной из формулировок второго закона Кирхгофа, причем слагаемые, входящие в уравнение, берут со знаком «плюс», если их условные положительные направления совпадают с обходом контура, и со знаком «минус», если они противоположны.

Запишем уравнения по II закону Кирхгофа для контуров электрической схемы (рис. выше):

контур I: E=RI+R₁I₁+r₀I,

контур II: R₁I₁+R₂I₂=0,

контур III: E=RI+R₂I₂+r₀I.

В действующей цепи электрическая энергия источника питания преобразуется в другие виды энергии. На участке цепи с сопротивлением R в течение времени t при токе I расходуется электрическая энергия

W=I²R_t.                                                                                              (1)

Скорость преобразования электрической энергии в другие виды представляет электрическую мощность P=W/t=I²R=UI.

Из закона сохранения энергии следует, что мощность источников питания в любой момент времени равна сумме мощностей, расходуемой на всех участках цепи.

Это соотношение (1) называют уравнением баланса мощностей. При составлении уравнения баланса мощностей следует учесть, что если действительные направления ЭДС и тока источника совпадают, то источник ЭДС работает в режиме источника питания, и произведение EI подставляют в (1) со знаком плюс. Если не совпадают, то источник ЭДС работает в режиме потребителя электрической энергии, и произведение EI подставляют в (1) со знаком минус. Для цепи, показанной на рис. выше в этой теме уравнение баланса мощностей запишется в виде: EI=I²(r₀+R)+I₁²R₁+I₂²R₂.

При расчете электрических цепей используются определенные единицы измерения. Электрический ток измеряется в амперах (А), напряжение – в вольтах (В), сопротивление – в омах (Ом), мощность – в ваттах (Вт), электрическая энергия – ватт-час (Вт-час) и проводимость – в сименсах (См).

Кроме основных единиц используют более мелкие и более крупные единицы измерения: миллиампер (1 мA = 10^–3 А), килоампер (1 кA = 10³ А), милливольт (1 мВ = 10^–3 В), киловольт (1 кВ = 10³ В), килоом (1 кОм = 10³ Ом), мегаом (1 МОм = 10⁶ Ом), киловатт (1 кВт = 10³ Вт), киловатт-час (1 кВт-час = 10³ ватт-час).

Расчет простых цепей при различных схемах соединения потребителей

В электротехнике рассматривается устройство и принцип действия основных электротехнических устройств, используемых в быту и промышленности. Чтобы электротехническое устройство работало, должна быть создана электрическая цепь, задача которой передать электрическую энергию этому устройству и обеспечить ему требуемый режим работы.

Электрической цепью называется совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электрическом токе, ЭДС (электродвижущая сила) и электрическом напряжении.

Для анализа и расчета электрическая цепь графически представляется в виде электрической схемы, содержащей условные обозначения ее элементов и способы их соединения. Электрическая схема простейшей электрической цепи, обеспечивающей работу осветительной аппаратуры, представлена на рис. 1.1:

Все устройства и объекты, входящие в состав электрической цепи, могут быть разделены на три группы:

1) Источники электрической энергии (питания).

Общим свойством всех источников питания является преобразование какого-либо вида энергии в электрическую. Источники, в которых происходит преобразование неэлектрической энергии в электрическую, называются первичными источниками. Вторичные источники – это такие источники, у которых и на входе, и на выходе – электрическая энергия (например, выпрямительные устройства).

2) Потребители электрической энергии.

Общим свойством всех потребителей является преобразование электроэнергии в другие виды энергии (например, нагревательный прибор). Иногда потребители называют нагрузкой. Бывает последовательное соединение и параллельное.

Последовательное соединение (в) — это такое соединение, при котором все потребители включены один за другим в одну линию. Поэтому по всем потребителям проходит ток одинаковой силы.

В нашем примере I = U/R = 12 В / З Ом = 4 А

Общее сопротивление внешней цепи равно сумме сопротивлений всех включенных потребителей.

В нашем примере R = R1 + R2 = 1 Ом + 2 Ом = 3 Ом

При параллельном соединении (г) к одной точке цепи подключают по одному выводу каждого потребителя, а к другой точке цепи другие выводы. В нашем примере внешняя цепь имеет два разветвления, т. е. две параллельные ветви. Оба потребителя R₁ и R₂ находятся под одинаковым напряжением U = 12 В. Сила тока в цепи каждого потребителя зависит от величины его сопротивления.

В цепи первого потребителя I₁ = U/R₁ = 12 В / 1 Ом = 12 А

В цепи второго потребителя I₂ = U/R₂ = 12 В / 2 Ом = 6 А

Общая сила тока во внешней цепи равна сумме сил токов в цепях всех параллельно включенных потребителей:

I = I₁ +I₂ = 12+6 = 18 А

Сопротивление внешней цепи всегда будет меньше сопротивления каждого потребителя. На автомобиле все потребители электрической энергии включены параллельно друг другу.

3) Вспомогательные элементы цепи: соединительные провода, коммутационная аппаратура, аппаратура защиты, измерительные приборы и т.д., без которых реальная цепь не работает.

Все элементы цепи охвачены одним электромагнитным процессом.

В электрической схеме на рис. 1.1 электрическая энергия от источника ЭДС E, обладающего внутренним сопротивлением r₀, с помощью вспомогательных элементов цепи передаются через регулировочный реостат R к потребителям (нагрузке): электрическим лампочкам EL₁ и EL₂.

Понятие о сложной электрической цепи. Методы расчета сложных электрических цепей: -законы Кирхгофа; -метод контурных токов; -метод узловых потенциалов; -метод наложения.

К сложным электрическим цепям относят цепи, содержащие несколько источников электрической энергии, включенных в разные ветви. Ниже на рис. изображены примеры таких цепей.

Для сложных электрических цепей неприменима методика расчета простых электрических цепей. Упрощение схем невозможно, т.к. нельзя выделить на схеме участок цепи с последовательным или параллельным соединением однотипных элементов. Иногда, преобразование схемы с ее последующим расчетом все-таки возможно, но это скорее исключение из общего правила.

Для полного расчета сложных электрических цепей обычно используют следующее методы:

1.     Применение законов Кирхгофа (универсальный метод, сложные расчеты системы линейных уравнений).

Порядок расчета цепей, связанный с использованием законов Кирхгофа следующий:

1)    Выбирают положительные направления токов в ветвях электрической цепи.

2)    Составляют (k-1) независимых уравнений по первому закону Кирхгофа. Уравнения составленные по первому закону Кирхгофа гораздо проще уравнений, составленных по второму закону Кирхгофа. Поэтому их составляют максимально возможное количество.

3)    Выбирают (l-k+1-m) независимых контуров электрической цепи. Контуры необходимо выбирать так, чтобы в них вошли все ветви схемы. Контуры взаимно независимы, если каждый последующий выбираемый контур содержит не менее одной новой ветви.

4)    Для каждого из выбранных независимых контуров выбирают направления обхода и составляют уравнение по второму закону Кирхгофа.

5)    Решают систему из (l-m) линейных уравнений любым удобным способом.

2.     Метод контурных токов (универсальный метод)

Расчет сложных электрических цепей методом контурных токов производят в следующей последовательности:

1)    Вычерчиваем принципиальную схему и все ее элементы.

2)    На схеме выбирают и обозначают контурные токи, таким образом, чтобы по любой ветви проходил хотя бы один выбранный контурный ток (исключая ветви с идеальними источниками тока). Контуры можно выбирать произвольно, лишь бы их число было равно (l-k+1-m), и чтобы каждый новый контур содержал хотя бы одну ветвь, не входящую в предыдущие.

3)    Произвольно задаемся направлением протекания контурных токов в каждом из независимых контуров (по часовой стрелке или против). Обозначаем эти токи. Для нумерации контурных токов используют сдвоенные арабские цифры (или римские).

4)    Произвольно задаемся направлением реальных токов всех ветвей и обозначаем их. Маркировать реальные токи надо таким образом, чтобы не путать с контурными. Для нумерации реальных токов ветвей можно использовать одиночные арабские цифры.

5)    По второму закону Кирхгофа, относительно контурных токов, составляем уравнения для всех независимых контуров. Уравнения составлят в следующем виде:

6)    Решаем любым методом полученную систему относительно контурных токов и определяем их.

7)    Переходим от контурных токов к реальным, считая, что реальный ток ветви равен алгебраической сумме контурных токов, протекающих по данной ветви. При алгебраическом суммировании без изменения знака берется контурный ток, направление которого совпадает с принятым направлением реального тока ветви. В противном случае контурный ток умножается на минус единицу.

3.     Метод узловых напряжений (универсальный метод)

Метод узловы́х потенциалов — метод расчета электрических цепей путём записи системы линейных алгебраических уравнений, в которой неизвестными являются потенциалы в узлах цепи. В результате применения метода определяются потенциалы во всех узлах цепи, а также, при необходимости, токи во всех ветвях.

Узловыми напряжениями называют напряжения между каждым из (k-1) узлов и одним произвольно выбранным опорным узлом. Потенциал опорного узла принимается равным нулю. На схеме такой узел обычно отображают как заземленный.

Сущность метода заключается в том, что вначале решением системы уравнений определяют потенциалы всех узлов схемы по отношению к опорному узлу. Далее находят токи всех ветвей схемы с помощью закона Ома.

Расчет сложных электрических цепей методом узловых напряжений производят в следующей последовательности:

1)    Вычерчиваем принципиальную схему и все ее элементы.

2)    На схеме произвольно выбирают и обозначают опорный узел. В качестве опорного желательно выбирать узел, в котором сходится максимальное количество ветвей.

3)    Произвольно задаемся направлением токов всех ветвей и обозначаем их на схеме.

4)    Для определения потенциалов остальных (k-1) узлов по отношению к опорному узлу составляем следующую систему уравнений:

5)                Решаем любым методом полученную систему относительно узловых напряжений и определяем их.

6)                Далее для каждой ветви в отдельности применяем закон Ома и находим все токи в электрической цепи.

4.     Принцип наложения (универальный метод, несложные расчеты).

Метод наложения — метод расчёта электрических цепей, основанный на предположении, что ток в каждой из ветвей сложной электрической цепи при всех включённых источниках электрической энергии, равен алгебраической сумме токов в этой же ветви, полученных при включении каждого из генераторов по очереди и отключении остальных генераторов.

Ток в любой ветви можно рассчитать как алгебраическую сумму токов, вызываемых в ней каждым источником электрической энергии в отдельности. При этом следует иметь ввиду, что когда ведут расчет токов, вызванных одним из источников электрической энергии, то остальные источники ЭДС в схеме замещают короткозамкнутыми участками, а источники тока разомкнутыми участками.

Данный метод позволяет существенно упростить расчеты сложных электрических цепей, содержащих небольшое количество источников электрической энергии.

Расчет сложных электрических цепей методом наложения производят в следующей последовательности:

1)    Вычерчиваем принципиальную схему и все ее элементы.

2)    Произвольно задаемся направлением токов всех ветвей и обозначаем их.

3)    Определяем количество источников электрической энергии на схеме.

4)    Для каждого источника электрической энергии вычерчиваем отдельную дополнительную схему, на которой выбранный источник отображаем без изменений (по сравнению с исходной схемой),а остальные источники замещаем (источники ЭДС на короткозамкнутый участок, источник тока на разомкнутый участок электрической цепи).

5)    Для каждой из вновь вычерченной схемы обозначаем токи ветвей таким образом, чтобы не путать их с реальными токами ветвей исходной схемы (например если на исходной схеме ток ветви обозначен как I1, то на дополнительных схемах обозначаем его I1′, I1», I1»’ и т.д.).

6)    Рассчитываем каждую дополнительную схему в отдельности по методике расчета простых электрических цепей.

7)    Определяем токи ветвей исходной схемы путем алгебраического суммирования токов ветвей всех дополнительных схем. Если направление тока на дополнительной схеме совпадает с направлением, указанным на основной схеме, ему присваивают знак «+», в противном случае присваивают знак «-«.

5.     Метод эквивалентного источника (удобен когда необходимо произвести не полный расчет электрической цепи, а найти ток в одной из ветвей).

Метод эквивалентного источника позволяет произвести частичный анализ электрической цепи. Например, определить ток в какой-либо одной ветви электрической цепи или исследовать поведение этой ветви при изменении ее сопротивления. Применение данного метода может оказаться полезным как при частичном расчете сложных электрических цепей, так и простых.

Метод эквивалентного источника применяют в следующей последовательности:

1)    Вычерчиваем принципиальную схему и все ее элементы.

2)    Заданную условием задачи схему разбивают на две части: ветвь (или участок электрической цепи) в которой требуется найти значение тока и остальную часть схемы.

3)    Производят замену активного двухполюсника на эквивалентный источник напряжения или тока.

4)    Находят значение тока в заданной ветви, применив одно из следующих соотношений:

6.     Метод эквивалентного преобразования схемы (применим довольно редко, простые расчеты).

Метод эквивалентного преобразования схемы используют при расчете простых электрических цепей. В отдельных случаях имеется возможность применить его и для расчета сложных электрических цепей.

Суть метода эквивалентного преобразования схемы заключается в упрощении схемы, когда два (или несколько) однотипных элемента электрической цепи замещаются одним эквивалентным элементом того же типа. Под термином «эквивалентный элемент» подразумевается такой элемент, замещение на который не меняет значений токов и напряжений в остальной части электрической цепи.

Мощность, работа и потери КПД электрических цепей

Мощность — физическая величина, характеризующая скорость передачи или преобразования электрической энергии.

Мощность электрического тока (P) – характеристика скорости передачи (преобразования) энергии. Измеряется в ваттах (Вт).

Основные формулы вычисления мощности:P=U∙I=U²/R=I2∙R.

При различных значениях напряжения и величине заряда, выполняется различная работа, следовательно, необходимо оценить величину скорости передачи (преобразования) энергии. Эта величина называется электрической мощностью и характеризует выполненную работу за единицу времени: P=A/∆t.

Работа электрического тока (A) – произведение мощности на время:A=P∙∆t

измеряется в джоулях (Дж).

Мгновенная мощность зависит от выбранного момента времени; мгновенное значение тока и напряжения также изменяются во времени из-за внешних факторов: изменения температуры, влияния внешнего поля, нестабильности ЭДС источника питания и т.д.

Работа электрического тока при переносе одного заряда численно равна значению напряжения на участке AB, тогда: P=U/∆t

Умножив значение мощности для одного заряда на число перенесённых зарядов, получим значение мощности электрического тока: P=U/∆t∙q.

Учитывая, что отношение величины заряда ко времени равно величине протекающего тока, получим: P=U∙I=[1B]∙[1B]=[1Вт].

Величина электрической мощности измеряется в ваттах (Вт) или в вольт-амперах (ВА), однако, эти величины не являются тождественными.

 Тогда работа тока равна мощности, умноженной на время:

Для характеристики эффективности системы (устройства, машины, электрической цепи) в отношении преобразования или передачи энергии вводится коэффициент полезного действия (КПД). Он определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой, обозначается обычно η («эта»). КПД является безразмерной величиной и часто измеряется в процентах. Математически определение КПД может быть записано в виде:

где A – работа, выполненная потребителем,

Q – энергия, отданная источником.

В силу закона сохранения энергии КПД всегда меньше единицы или равен ей, то есть невозможно получить полезной работы больше, чем затрачено энергии.

КПД характеризует степень полезности системы и определяется количество потерь мощности в ней.

Потери мощности в проводнике образуются преобразованием электрического тока в тепловую энергию, зависят от сопротивления проводника и не входят в величину полезной работы.

Разность ∆Q=A-Q называется потерями мощности. Из формулы  видно, что потери мощности будут возрастать при увеличении сопротивления проводника, поэтому чтобы получить как можно больше теплового излучения в лампах используется тонкая бифилярная (двойная) спираль, сопротивление которой довольно велико. Нить имеет толщину порядка 50 микрон, чтобы компенсировать относительно малое удельное сопротивление металла. Стоит отметить, что КПД ламп накаливания составляет не более 15%, то есть более 85% мощности рассеивается в виде тепла (инфракрасное излучение).

  Синусоидальный ток и его основные параметры

Синусоидальный ток представляет собой функцию времени. То есть в отличие от постоянного тока его значение меняется с течением времени. Основными характеристиками синусоидального тока являются. Амплитуда частота и начальная фаза.

  Частота f это количество колебаний в единицу времени. За единицу времени в системе СИ принимается одна секунда. Таким образом, количество колебаний за секунду это и есть частота синусоидального тока. И измеряется она в Герцах. Величина обратная частоте называется периодом колебания T=1/f (с). Определение периода звучит так период это время полного колебания. Если представить себе маятник часов, то период это время за которое он совершит движение из одного крайнего положения в другое и обратно.

Амплитуда синусоидального тока — это максимальное значение тока, которое он достигает за период колебания. Опять же, если рассматривать на примере маятника, то амплитуда это расстояние от положения равновесия до одного из крайних положений.

 Начальная фаза синусоидального тока — это то время, на которое отстает либо опережает синусоида начальный момент времени. Представим две синусоиды одна, из которых начинается условно в нуле а другая в 1. То можно сказать, что вторая синусоида отстаёт по фазе от первой. Если обе синусоиды начинаются в одной точке то можно сказать что они синфазные, то есть имеют одну фазу. При этом они обе могут отставать от начального момента времени на одну и ту же величину, то есть иметь одинаковую начальную фазу.

Математически синусоидальный ток описывается уравнением:

i=Im*sin(wt+j) ,

 где i — мгновенное значение тока это величина тока в определенный момент времени с учетом частоты и начальной фазы тока.

Im   — амплитуда тока.

j— начальная фаза. 

w     — угловая частота выражается как угловая частота — 

Синусоидальный ток характеризуется амплитудой Im и периодом T.

Энергетические характеристики синусоидальных сигналов обычно описываются действующими значениями тока I, равными среднеквадратичному за период значению:

Аналогично вводятся действующие значения напряжения U и напряжения ЭДС E. Действующие значения наиболее часто используют для характеристики интенсивности синусоидальных сигналов: электроизмерительные приборы проградуированы так, что они показывают действующие значения синусоидальных токов и напряжений. Для синусоидальных величин вычисление интеграла в последнем выражении приводит к соотношениям:

Способы представления синусоидального тока

В современной технике широко используют разнообразные по форме переменные токи и напряжения: синусоидальные, прямоугольные, треугольные и др. Значение тока, напряжения, ЭДС в любой момент времени t называется мгновенным значением и обозначается малыми строчными буквами, соответственно: i = i(t); u = u(t); e = e(t).

Токи, напряжения и ЭДС, мгновенные значения которых повторяются через равные промежутки времени, называют периодическими, а наименьший промежуток времени, через который эти повторения происходят, называют периодом Т.

Если кривая изменения периодического тока описывается синусоидой, то ток называют синусоидальным. Если кривая отличается от синусоиды, то ток несинусоидальный.

В промышленных масштабах электрическая энергия производится, передается и расходуется потребителями в виде синусоидальных токов, напряжений и ЭДС,

При расчете и анализе электрических цепей применяют несколько способов представления синусоидальных электрических величин.

1.     Аналитический способ

Для тока: i(t) = I_m sin(ωt + ψi), для напряжения: u(t) = U_m sin (ωt +ψu), для ЭДС: e(t) = E_m sin (ωt +ψe),

Im, Um, Em – амплитуды тока, напряжения, ЭДС;

значение в скобках – фаза (полная фаза);

 ψi, ψu, ψe – начальная фаза тока, напряжения, ЭДС;

ω – циклическая частота, ω = 2πf;

f – частота, f = 1 / T; Т – период.

Величины i, Im – измеряются в амперах, величины U, Um, e, Em – в вольтах; величина Т (период) измеряется в секундах (с); частота f – в герцах (Гц), циклическая частота ω имеет размерность рад/с. Значения начальных фаз ψi, ψu, ψe могут измеряться в радианах или градусах. Величина ψi, ψu, ψe зависит от начала отсчета времени t = 0. Положительное значение откладывается влево, отрицательное – вправо.

2.Временная диаграмма

Временная диаграмма представляет графическое изображение синусоидальной величины в заданном масштабе в зависимости от времени i(t) = I_m sin(ωt — ψi).

3.Графоаналитический способ

Графически синусоидальные величины изображаются в виде вращающегося вектора (рис. 2.2). Предполагается вращение против часовой стрелки с частотой вращения ω. Величина вектора в заданном масштабе представляет амплитудное значение. Проекция на вертикальную ось есть мгновенное значение величины.

Совокупность векторов, изображающих синусоидальные величины (ток, напряжение, ЭДС) одной и той же частоты называют векторной диаграммой.

Векторные величины отмечаются точкой над соответствующими переменными.

Использование векторных диаграмм позволяет существенно упросить анализ цепей переменного тока, сделать его простым и наглядным.

В основе графоаналитического способа анализа цепей переменного тока лежит построение векторных диаграмм.

Рис.2.2.

i1(t) = Im1 sin(ωt)→ i2(t) = Im2 sin(ωt + ψ2) →i(t) = ?

Первый закон Кирхгофа выполняется для мгновенных значений токов:

i(t) = i1(t) + i2(t) = Im1 sin(ωt) + Im2 sin(ωt — ψ2) = Im sin(ωt + ψ).

Приравниваем проекции на вертикальную и горизонтальные оси

Im sin ψ = Im2 sin ψ2;  Im cos ψ = Im2 cos ψ2 + Im1;

Из равенств получаем

4.Аналитический метод с использованием комплексных чисел

Синусоидальный ток i(t) = Im sin(ωt + ψ) можно представить комплексным числом Ím на комплексной плоскости Ím = Im^ejψ,

где амплитуда тока Im – модуль, а угол ψ, являющийся начальной фазой, – аргумент комплексного тока.

Использование комплексной формы представления позволяет заменить геометрические операции над векторами алгебраическими операциями над комплексными числами. В результате этого к анализу цепей переменного тока могут быть применены все методы анализа цепей постоянного тока.  

Резисторное сопротивление в цепи синусоидального тока

Резистор — пассивный элемент электрической цепи, в идеале характеризуемый только сопротивлением электрическому току, то есть для идеального резистора в любой момент времени должен выполняться закон Ома для участка цепи: мгновенное значение напряжения на резисторе пропорционально току проходящему через него U(t)=R∙I(t). На практике же резисторы в той или иной степени обладают также паразитной ёмкостью, паразитной индуктивностью и нелинейностью вольт-амперной характеристики.

Сопротивление металлических и проволочных резисторов немного зависит от температуры. При этом зависимость от температуры практически линейная R=R₀(1+α(t—t₀)), так как коэффициенты 2 и 4 порядка достаточно малы и при обычных измерениях ими можно пренебречь. Коэффициент  α называют температурным коэффициентом сопротивления. Такая зависимость сопротивления от температуры позволяет использовать резисторы в качестве термометров. Сопротивление полупроводниковых резисторов может зависеть от температуры сильнее, возможно, даже экспоненциально по закону Аррениуса, однако в практическом диапазоне температур и эту экспоненциальную зависимость можно заменить линейной.

 Если напряжение  подключить к сопротивлению R, то через него протекает ток (6.7)

Анализ выражения (6.7) показывает, что напряжение на сопротивлении и ток, протекающий через него, совпадают по фазе.

Формула (6.7) в комплексной форме записи имеет вид  (6.8)

где      и     — комплексные  амплитуды  тока и напряжения.

      Комплексному уравнению (6.8) соответствует векторная диаграмма (рис. 6.4).

Из анализа диаграммы следует, что векторы напряжения и тока совпадают по направлению.

Сопротивление участка цепи постоянному току называется омическим, а сопротивление того же участка переменному току — активным сопротивлением.

      Рис. 6.4 — Активное сопротивление больше омического из-за явления поверхностного эффекта. Поверхностный эффект заключается в том, что ток вытесняется из центральных частей к периферии сечения проводника.

Конденсатор в цепи синусоидального тока

Конденсатор – элемент электрической цепи, предназначенный для использования его ёмкости. В конденсаторе накапливается энергия электрического поля. Свойство элемента запасать электрический заряд характеризует ёмкость. Этот параметр является коэффициентом пропорциональности между зарядом q и прикладываемым напряжением u.

q = C·u, где q – выражается в кулонах [Кл], С – в фарадах [Ф], u – в вольтах [B].

При изменении напряжения на конденсаторе изменяется заряд и возникает электрический ток  

Идеализированный конденсатор обладает только параметром С.

Рассмотрим электрические процессы в цепи с идеальным ёмкостным элементом, рис. 3.6, а.

Пусть напряжение источника изменяется по закону u = Um·sinω·t, (ψu = 0).

В цепи возникает ток

Из полученного выражения видно, что начальная фаза тока ψi = π/2. Угол сдвига фаз между напряжением и током составляет

φ = ψu – ψi = 0 – π/2 = — π/2.

Рис 3.6 – Схема замещения цепи с емкостным элементом (а), временная (б) и векторная (в) диаграммы

Следовательно, синусоида напряжения на емкости отстаёт от синусоиды тока на угол π/2, рис. 3.6, б, в. На практике, если в электрической цепи напряжение отстаёт по фазе от тока, говорят об ёмкостном характере нагрузки.

Амплитуда тока

Im = ω·C·Um,

действующее значение

Это выражение представляет закон Ома. Величину 1/ω·C называют ёмкостным сопротивлением конденсатора и измеряют в [Ом] X_c=1/ ω•C =1/2πfC.

Ёмкостное сопротивление имеет место только в том случае, когда происходит изменение напряжения на обкладках конденсатора. При постоянном напряжении (f = 0) ёмкостное сопротивление равно бесконечности (т. е. В цепи будет разрыв).

Мгновенная мощность ёмкостного элемент p=ui=U_mI_msin ω tsin(ω t+π/2)= UIsin2 ω t.

Амплитуда мгновенной мощности равна реактивной мощности

QC = U·I = XC·I2.

Активная мощность (средняя за период) равна нулю, рис. 3.6, б.

С энергетической точки зрения график мгновенной мощности отражает накопление энергии в электрическом поле конденсатора (когда мощность положительная) и возврат её источнику питания (когда мощность отрицательная). Следовательно, ёмкостной элемент является реактивной нагрузкой.

Выразим электрические величины в комплексной форме. Напряжение и ток (действующие значения) в цепи имеют вид

U = U·ej·ψu, I = I·ej·ψi , ψu = 0, ψi = π/2, φ = — π/2.

Комплексное сопротивление цепи

 Ёмкостное сопротивление является отрицательным мнимым числом.

Индуктивность в электрической цепи

Индуктивность (или коэффициент самоиндукции) — коэффициент пропорциональности между электрическим током, текущим в каком-либо замкнутом контуре, и магнитным потоком, создаваемым этим током через поверхность, краем которой является этот контур.

Формула для индуктивности  Ф=LI

Где Ф-магнитный поток, L— ток в контуре, I— индуктивность. Измеряется в генри(Гн).

Практически участки цепи со значительной индуктивностью выполняют в виде катушек индуктивности. Элементами малой индуктивности (применяемыми для больших рабочих частот) могут быть одиночные (в том числе и неполные) витки или даже прямые проводники; при высоких рабочих частотах необходимо учитывать индуктивность всех проводников.

Для имитации индуктивности, т.е. ЭДС на элементе, пропорциональной и противоположной по знаку скорости изменения тока через этот элемент, в электронике используются и устройства, не основанные на электромагнитной индукции; такому элементу можно приписать определенную эффективную индуктивность, используемую в расчетах полностью (хотя вообще говоря с определенными ограничивающими условиями) аналогично тому, как используется обычная индуктивность.

Закон электромагнитной индукции

Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него.

Согласно закону электромагнитной индукции Фарадея (в СИ):

Экспериментальное исследование зависимости ЭДС индукции от изменения магнитного потока привело к установлению закона электромагнитной индукции: ЭДС индукции в замкнутом контуре пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.

    В СИ единица магнитного потока выбрана такой, чтобы коэффициент пропорциональности между ЭДС индукции и изменением магнитного потока был равен единице. При этом закон электромагнитной индукции формулируется следующим образом: ЭДС индукции в замкнутом контуре равна модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

С учетом правила Ленца закон электромагнитной индукции записывается следующим образом:

ЭДС индукции в катушке. Если в последовательно соединенных контурах происходят одинаковые изменения магнитного потока, то ЭДС индукции в них равна сумме ЭДС индукции в каждом из контуров. Поэтому при изменении магнитного потока в катушке, состоящей из n одинаковых витков провода, общая ЭДС индукции в n раз больше ЭДС индукции в одиночном контуре:

Единица магнитного потока. Единица магнитного потока в Международной системе единиц называется вебером (Вб). Она определяется на основании использования закона электромагнитной индукции. Магнитный поток через площадь, ограниченную замкнутым контуром, равен 1 Вб, если при равномерном убывании этого потока до нуля за 1 с в контуре возникает ЭДС индукции 1 В: ,

Для однородного магнитного поля на основании уравнения Ф=BScosα следует, что его магнитная индукция равна 1 Тл, если магнитный поток через контур площадью 1 м² равен 1 Вб: В=A/S 1Тл=1Вб/1м²=1Вб∙м², где B=A/S.

Закон электромагнитной индукции по известной скорости изменения магнитного потока позволяет найти значение ЭДС индукции в контуре и при известном значении электрического сопротивления контура вычислить силу тока в контуре.

Индуктивность в цепи синусоидального тока

Индуктивность – величина, характеризующая магн. св-ва электрич. цепи. Ток, текущий в проводящем контуре, создаёт в окружающем пр-ве магн. поле, причём магнитный поток Ф, пронизывающий контур (сцепленный с ним), прямо пропорционален току I:Ф=LI. Коэфф. пропорциональности L наз. И. или коэфф. самоиндукции контура. И. зависит от размеров и формы контура, а также от магнитной проницаемости окружающей среды. В СИ И. измеряется в генри, в Гаусса системе единиц она имеет размерность дл

(DI изменение тока за время Dt). И. определяет энергию W магн. поля тока I: W =LI2/2.

Если провести аналогию между электрич. и механич. явлениями, то магн. энергию следует сопоставить с кинетич. энергией тела T=mv2/2 (m — масса тела, v — его скорость), при этом И. будет играть роль массы, а ток — скорости. Т. о., И. определяет инерц. св-ва тока.

Для увеличения И. применяют катушки индуктивности с железными сердечниками; в результате зависимости магн. проницаемости m ферромагнетиков от напряжённости магн. поля (а следовательно, и от тока) И. таких катушек зависит от I. И. длинного соленоида из N витков с площадью поперечного сечения S и длиной l в среде с магн. проницаемостью m равна (в ед. СИ):L=mm₀N₂S/l,где m0— магн. проницаемость вакуума.

Взаимоиндуктивность в магнитосвязанных цепях

Взаимоиндукция (взаимная индукция) — возникновение электродвижущей силы (ЭДС индукции) в одном проводнике вследствие изменения силы тока в другом проводнике или вследствие изменения взаимного расположения проводников. Взаимоиндукция — частный случай более общего явления — электромагнитной индукции. При изменении тока в одном из проводников или при изменении взаимного расположения проводников происходит изменение магнитного потока через (воображаемую) поверхность, «натянутую» на контур второго, созданного магнитным полем, порожденным током в первом проводнике, что по закону электромагнитной индукции вызывает возникновение ЭДС во втором проводнике. Если второй проводник замкнут, то под действием ЭДС взаимоиндукции в нём образуется индуцированный ток. И наоборот, изменение тока во второй цепи вызовет появление ЭДС в первой. Направление тока, возникшего при взаимоиндукции, определяется по правилу Ленца. Правило указывает на то, что изменение тока в одной цепи (катушке) встречает противодействие со стороны другой цепи (катушки).

Чем большая часть магнитного поля первой цепи пронизывает вторую цепь, тем сильнее взаимоиндукция между цепями. С количественной стороны явление взаимоиндукции характеризуется взаимной индуктивностью (коэффициентом взаимоиндукции, коэффициентом связи). Для изменения величины индуктивной связи между цепями, катушки делают подвижными. Приборы, служащие для изменения взаимоиндукции между цепями, называются вариометрами связи.

Явление взаимоиндукции широко используется для передачи энергии из одной электрической цепи в другую, для преобразования напряжения с помощью трансформатора.

Если магнитное поле, создаваемое одной из катушек, пересекает плоскость витков (сцеплено с витками) второй катушки, то такие катушки принято называть магнитносвязанными (индуктивносвязанными).

Изменение тока в электрической цепи приводит к соответствующему изменению магнитного потока, который, в свою очередь, приводит к появлению ЭДС самоиндукции, обусловленной скоростью изменения потокоцепления y = WФ = Li.

При рассмотрении цепей синусоидальных токов мы познакомились с явлением самоиндукции, то есть возникновением ЭДС в электрической цепи при изменении собственного магнитного потока, обусловленного изменением тока в этой цепи:

Однако, кроме явления самоиндукции в электрических цепях синусоидального тока, возможно возникновение взаимной индукции. Физически это можно объяснить так: изменение тока в одной цепи вызывает изменение величины потокосцепления взаимной индукции в другой и наоборот. В данном случае говорят, что эти цепи индуктивно связаны.

Для выяснения явлений в индуктивно связанных цепях рассмотрим две катушки. Пусть, например, в катушке 1 протекает ток i1, а во второй — ток отсутствует. Тогда i1 вызывает магнитный поток Ф₁₁, который пронизывает все витки первой катушки и вызывает ЭДС самоиндукции. Поскольку, катушки находятся достаточно близко друг от друга, то часть силовых линий Ф₁₁ пронизывает витки второй катушки, где Ф₂₁ — это часть Ф₁₁, пронизывающая катушку 2.

Ф₁₁ > Ф₂₁;

y₁₁ = W₁ Ф₁₁ — потокосцепление первой катушки;

y₂₁ = W₂ Ф₂₁ — потокосцепление второй катушки.

Поделим оба выражения на i1.

Аналогичная картина могла бы иметь место при протекании тока во второй катушке:

Однако, поскольку магнитные свойства среды, заполняющей катушки (воздух) неизменны, то M₁₂ = M₂₁ = M — взаимная индуктивность двух катушек (индуктивная связь) — величина неизменная и зависит только от взаимного положения катушек и чисел витков катушек.

Законы Кирхгофа для цепей синусоидального тока

1)                В любой момент времени алгебраическая сумма токов в узле электрической цепи равна нулю: .2.8

2)                В любой момент времени в замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме напряжений на всех остальных элементах контура: .2.9

Токи, напряжения и ЭДС, входящие в уравнения (2.8) и (2.9), есть синусоидальные функции времени, которые мы рассматриваем как проекции некоторых векторов на оси координат. Так как сложению проекций соответствует сложение векторов и соответствующих им комплексных чисел, то справедливыми будут следующие уравнения, которые можно записывать как для действующих, так и для амплитудных значений.

  Из сказанного вытекают три возможных подхода к расчету цепей синусоидального тока: выполнение операций непосредственно над синусоидальными функциями времени по уравнениям выше; применение метода векторных диаграмм, использование в расчетах комплексных чисел и уравнений, являющихся основой символического метода.

Закон Ома и сопротивления цепи синусоидального тока с последовательным соединением элементов R, L,C.

В электрической цепи элементы R, L, C соединены последовательно и подключены к источнику синусоидального напряжения. Ток в такой цепи будет изменяться также по синусоидальному закону.

 Все законы постоянного тока справедливы и для синусоидального, только записанные в комплексной форме.

 Вектор напряжения на входе равен сумме векторов напряжений на элементах R, L, C:

 По закону Ома можно расписать:

 

          Значит полное сопротивление для цепи

где  — реактивное сопротивление электрической цепи.

 Можно рассмотреть три случая значений:

1)    x›0, значит x_L‹x_c;

2)    x‹0, значит x_L›x_c;

3)    x=0, значит x_L=x_c.

Понятие о резонансе напряжений. Условия его возникновения и способы осуществления

Резонанс напряжений — резонанс, происходящий в последовательном колебательном контуре при его подключении к источнику напряжения, частота которого совпадает с собственной частотой контура.

Резонанс напряжений наблюдается в последовательных цепях. Обычно режим резонанса напряжений рассматривается для последовательной RLC-цепи.

Поэтому резонанс напряжений в цепа с последовательным соединением R, L и С может наступить:

1)   если   при   постоянной   индуктивности   емкость   меняется   и становится равной C=1/w²L.

2)   если   при   постоянной  емкости  меняется   индуктивность  и становится равной L=1/w²C.

3) если изменение   обеих величин L и С приводит к равенству wL=1/wC.

4) если, наконец, угловая частота сети, изменяясь, становится равной w=1/

учитывая, что w= 2πf, получаем следующее выражение для частоты f₀: f₀=1/2π. Эту частоту принято называть  резонансной.

Резонанс напряжений и его признаки

Режим работы RLC цепи или LC-цепи, при условии равенства реактивных сопротивлений XC = XL, когда общее напряжение цепи совпадает по фазе с её током, называется резонансом напряжения.

XC = XL – условие резонанса.

Признаки резонанса напряжения:

Напряжение на входе совпадает по фазе с током, т.е. сдвиг фаз между I и U φ = 0, cos φ = 1

Ток в цепи будет наибольшим и как следствие Pmax = I2maxR тоже максимальна, а реактивная мощность равна нулю.

Резонансная частота w_рез=1/

Резонанс можно достигнуть, изменяя L, C или ω.

Векторные диаграммы при резонансе напряжений

Закон Ома и проводимость цепи синусоидального тока с параллельным соединением ветвей R-L, L-C.

Если к зажимам электрической цепи, состоящей из параллельно соединенных элементов R, L, С (рисунок 2.18), приложено гармоническое напряжение u = Umcosωt, то гармонический ток, проходящий через эту цепь, равен алгебраической сумме гармонических токов в параллельных ветвях (первый закон Кирхгофа): i = iR + iL + iC.

Понятие о резонанс токов. Условия его возникновения и способы осуществления

Резонанс токов — резонанс, происходящий в параллельном колебательном контуре при его подключении к источнику напряжения, частота которого совпадает с собственной частотой контура.

Условие резонанса токов: , .

В1 – реактивная проводимость первой ветви,

В2 – реактивная проводимость второй ветви.

Способ возбуждения колебаний в электрическом контуре, заключающийся в генерации колебаний, за счет регулирования сигнала, управляющего возбуждением колебаний.

Резонанс токов и его признаки

Режим, при котором в цепи, содержащей параллельные ветви с индуктивными и емкостными элементами, ток неразветвленного участка цепи совпадает по фазе с напряжением (φ=0), называют резонансом токов.

Признаки резонанса токов:

Реактивные составляющие токов ветвей равны IPC = IPL и находятся в противофазе в случае, когда напряжение на входе чисто активное;

 Токи ветвей превышают общий ток цепи, который имеет минимальное значение и совпадают по фазе.

 

Мгновенная мощь цепи синусоидального тока

Мгновенной мощностью называют произведение мгновенного напряжения на входе цепи на мгновенный ток.

      Пусть мгновенные напряжение и ток определяются по формулам:

 

Тогда

  Среднее значение мгновенной мощности за период

   Из треугольника сопротивлений   , a

Получим еще одну формулу:

Среднее арифметическое значение мощности за период называют активной мощностью и обозначают буквой P.

    Эта мощность измеряется в ваттах и характеризует необратимое преобразование электрической энергии в другой вид энергии, например, в тепловую, световую и механическую энергию.

      Возьмем реактивный элемент (индуктивность или емкость). Активная мощность в этом элементе , так как напряжение и ток в индуктивности или емкости различаются по фазе на 90^o. В реактивных элементах отсутствуют необратимые потери электрической энергии, не происходит нагрева элементов.

    Происходит обратимый  процесс в  виде обмена электрической энергией между источником и приемником. Для качественной оценки интенсивности обмена энергией вводится понятие реактивной мощности Q.

Преобразуем выражение (6.23):

где   — мгновенная мощность в активном сопротивлении;

 — мгновенная мощность в реактивном элементе (в индуктивности или в емкости).

    Максимальное или амплитудное значение мощности p₂ называется реактивной мощностью   

где x — реактивное сопротивление (индуктивное или емкостное).

      Реактивная мощность, измеряемая в вольтамперах реактивных, расходуется на создание магнитного поля в индуктивности или электрического поля в емкости. Энергия, накопленная в емкости или в индуктивности, периодически возвращается источнику питания.

      Амплитудное значение суммарной мощности p = p₁ + p₂ называется полной мощностью.

    Полная  мощность,  измеряемая в вольтамперах, равна произведению действующих значений напряжения и тока:

   

где z — полное сопротивление цепи.

    Полная мощность характеризует предельные возможности источника энергии. В электрической цепи можно использовать часть полной мощности

где    — коэффициент мощности или «косинус «фи».

Коэффициент  мощности  является одной из важнейших характеристик электротехнических устройств. Принимают специальные меры к увеличению коэффициента мощности.

Активная, реактивная и полная мощность цепей синусоидального тока

Активная мощность.

Единица измерения — ватт (W, Вт).

Среднее за период T значение мгновенной мощности называется активной мощностью:  В цепях однофазного синусоидального тока  где U и I — среднеквадратичные значения напряжения и тока, φ — угол сдвига фаз между ними. Для цепей несинусоидального тока электрическая мощность равна сумме соответствующих средних мощностей отдельных гармоник. Активная мощность характеризует скорость необратимого превращения электрической энергии в другие виды энергии (тепловую и электромагнитную). Активная мощность может быть также выражена через силу тока, напряжение и активную составляющую сопротивления цепи r или её проводимость g по формуле P=I²∙r=U²∙g. В любой электрической цепи как синусоидального, так и несинусоидального тока активная мощность всей цепи равна сумме активных мощностей отдельных частей цепи, для трёхфазных цепей электрическая мощность определяется как сумма мощностей отдельных фаз. С полной мощностью S активная связана соотношением

В теории длинных линий (анализ электромагнитных процессов в линии передачи, длина которой сравнима с длиной электромагнитной волны) полным аналогом активной мощности является проходящая мощность, которая определяется как разность между падающей мощностью и отраженной мощностью.

Реактивная мощность.

Единица измерения — вольт-ампер реактивный (var, вар).

Реактивная мощность — величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля в цепи синусоидального переменного тока, равна произведению среднеквадратичных значений напряжения U и тока I, умноженному на синус угла сдвига фаз φ между ними:  (если ток отстаёт от напряжения, сдвиг фаз считается положительным, если опережает — отрицательным). Реактивная мощность связана с полной мощностью S и активной мощностью Р соотношением: .

Физический смысл реактивной мощности — это энергия, перекачиваемая от источника на реактивные элементы приёмника (индуктивности, конденсаторы, обмотки двигателей), а затем возвращаемая этими элементами обратно в источник в течение одного периода колебаний, отнесённая к этому периоду.

Необходимо отметить, что величина sin φ для значений φ от 0 до плюс 90° является положительной величиной. Величина sin φ для значений φ от 0 до −90° является отрицательной величиной. В соответствии с формулой Q = UI sin φ, реактивная мощность может быть как положительной величиной (если нагрузка имеет активно-индуктивный характер), так и отрицательной (если нагрузка имеет активно-ёмкостный характер). Данное обстоятельство подчёркивает тот факт, что реактивная мощность не участвует в работе электрического тока. Когда устройство имеет положительную реактивную мощность, то принято говорить, что оно её потребляет, а когда отрицательную — то производит, но это чистая условность, связанная с тем, что большинство электропотребляющих устройств (например, асинхронные двигатели), а также чисто активная нагрузка, подключаемая через трансформатор, являются активно-индуктивными.

Синхронные генераторы, установленные на электрических станциях, могут как производить, так и потреблять реактивную мощность в зависимости от величины тока возбуждения, протекающего в обмотке ротора генератора. За счёт этой особенности синхронных электрических машин осуществляется регулирование заданного уровня напряжения сети. Для устранения перегрузок и повышения коэффициента мощности электрических установок осуществляется компенсация реактивной мощности.

Применение современных электрических измерительных преобразователей на микропроцессорной технике позволяет производить более точную оценку величины энергии возвращаемой от индуктивной и емкостной нагрузки в источник переменного напряжения.

Измерительные преобразователи реактивной мощности, использующие формулу Q = UI sin φ, более просты и значительно дешевле измерительных преобразователей на микропроцессорной технике.

Полная мощность.

Единица полной электрической мощности — вольт-ампер (V·A, В·А)

Полная мощность — величина, равная произведению действующих значений периодического электрического тока I в цепи и напряжения U на её зажимах: S = U·I; связана с активной и реактивной мощностями соотношением: S=, где Р — активная мощность, Q — реактивная мощность (при индуктивной нагрузке Q > 0, а при ёмкостной Q < 0).

Векторная зависимость между полной, активной и реактивной мощностью выражается формулой:

Полная мощность имеет практическое значение, как величина, описывающая нагрузки, фактически налагаемые потребителем на элементы подводящей электросети (провода, кабели, распределительные щиты, трансформаторы, линии электропередачи), так как эти нагрузки зависят от потребляемого тока, а не от фактически использованной потребителем энергии. Именно поэтому номинальная мощность трансформаторов и распределительных щитов измеряется в вольт-амперах, а не в ваттах.

Коэффициент мощности  и его экономическое значение

Коэффициент мощности — безразмерная физическая величина, характеризующая потребителя переменного электрического тока с точки зрения наличия в нагрузке реактивной составляющей. Коэффициент мощности показывает, насколько сдвигается по фазепеременный ток, протекающий через нагрузку, относительно приложенного к ней напряжения.

Численно коэффициент мощности равен косинусу этого фазового сдвига.

Можно показать, что если источник синусоидального тока (например, розетка ~220 В, 50 Гц) нагрузить на нагрузку, в которой ток опережает или отстаёт по фазе на некоторый угол от напряжения, то на внутреннем активном сопротивлении источника выделяется повышенная мощность. На практике это означает, что при работе на нагрузку со сдвинутыми напряжением и током от электростанции требуется больше энергии; избыток передаваемой энергии выделяется в виде тепла в проводах и может быть довольно значительным.

Равен отношению потребляемой электроприёмником активной мощности к полной мощности. Активная мощность расходуется на совершение работы. Полная мощность — геометрическая сумма активной и реактивной мощностей (в случае синусоидальных тока и напряжения). В общем случае полную мощность можно определить как произведение действующих (среднеквадратических) значений тока и напряжения в цепи. Полная мощность равна корню квадратному из суммы квадратов активной и неактивной мощностей. В качестве единицы измерения полной мощности принято использовать вольт-ампер (В∙А) вместо ватта (Вт).

Коэффициент мощности необходимо учитывать при проектировании электросетей. Низкий коэффициент мощности ведёт к увеличению доли потерь электроэнергии в электрической сети в общих потерях. Чтобы увеличить коэффициент мощности, используют компенсирующие устройства. Неверно рассчитанный коэффициент мощности может привести к избыточному потреблению электроэнергии и снижению КПД электрооборудования, питающегося от данной сети.

Получение трехфазной системы ЭДС и способы представления

Трехфазной системой электрических цепей называется система, состоящая из трех электрических цепей переменного тока одной частоты, ЭДС которых сдвинуты по фазе друг относительно друга на 1/3 периода.

Принцип получения трехфазной ЭДС может быть проиллюстрирован с помощью следующей простейшей модели: берутся три прямоугольные рамки, повернутые друг относительно друга на углы в 120⁰ и жестко скрепленные между собой. Эти рамки приводятся во вращение с угловой частотой w в магнитном поле с постоянной индукцией В.

При этом в каждой из трех рамок будет наводиться переменная ЭДС. Пусть, например, в рамке А наводится ЭДС, которая изменяется по закону:

e_А = e_msinwt.

Но в рамке В тоже будет наводиться ЭДС, изменяющаяся также по синусоидальному закону; однако все процессы в рамке В будут запаздывать по отношению к процессам рамки А на угол в 120⁰. Если в рамке А в некотором ее пространственном положении ЭДС принимает максимальное значение, то в рамке В в этот момент времени ЭДС не будет максимальна, а станет максимальной только тогда, когда рамка В займет то же положение, что и рамка А, т.е. когда повернется на угол 120⁰. В рамке В закон изменения ЭДС имеет вид: e_В = e_msin(wt – 120⁰). Аналогичным образом для рамки С: eС = e_msin(wt – 240⁰) = e_msin(wt + 120⁰).

Трехфазная симметричная система ЭДС может изображаться графиками, тригонометрическими функциями, векторами и функциями комплексного переменного.

Соединения обмоток трехфазных генераторов. Схема и основные соотношения

Трехфазный генератор представляет собой синхронную машину двух типов: турбогенератор и гидрогенератор. Модель трехфазного генератора схематически изображена на рис.1

На статоре 1 генератора размещается обмотка 2, состоящая из трех частей или, как их принято называть, фаз. Обмотки фаз располагаются на статоре таким образом, чтобы их магнитные оси были сдвинуты в пространстве относительно друг друга на угол 2π/3, т.е. на 120°. На рис.1 каждая фаза обмотки статора условно показана состоящей из одного витка.

Начала фаз обозначены буквами A, B и C, а концы – X, Y, Z. Ротор 3 представляет собой электромагнит, возбуждаемый постоянным током обмотки возбуждения 4, расположенной на роторе.

При вращении ротора турбиной с равномерной скоростью в обмотках фаз статора индуктируются периодически изменяющиеся синусоидальные ЭДС одинаковой частоты и амплитуды, но отличающиеся друг от друга по фазе на 120° вследствие их пространственного смещения.

На схеме обмотку (или фазу) источника питания изображают как показано на рис.2.

За условное положительное направление ЭДС в каждой фазе принимают направление от конца к началу. Обычно индуктированные в обмотках статора ЭДС имеют одинаковые амплитуды и сдвинуты по фазе относительно друг друга на один и тот же угол 120°. Такая система ЭДС называется симметричной.

Соединения приемников в трехфазных цепях (схемы, их достоинства и недостатки)

В период зарождения трехфазных систем имелись попытки использовать несвязанную систему, в которой фазы обмотки генератора не были электрически соединены между собой и каждая фаза соединялась со своим приемником двумя проводами (рис. 3.5). Такие системы не получили применения вследствие их неэкономичности: для соединения генератора с приемником требовалось шесть проводов (рис. 3.5)

Схема, основные соотношения и векторная диаграмма при соединении приемников звездой с нейтральным проводом

Трехфазная цепь с нейтральным проводом будет четырехпроводной.

Если концы всех фаз генератора соединить в общий узел, а начала фаз соединить с нагрузкой, образующей трехлучевую звезду сопротивлений, получится трехфазная цепь, соединенная звездой. При этом три обратных провода сливаются в один, называемый нулевым или нейтральным. Трехфазная цепь, соединенная звездой, изображена на рис. 7. 1.

Провода, идущие от источника к нагрузке называют линейными проводами, провод, соединяющий нейтральные точки источника N_и приемника N’ называют нейтральным (нулевым) проводом.

     Напряжения  между началами фаз  или между линейными проводами называют линейными напряжениями. Напряжения между началом и концом фазы или между линейным и нейтральным проводами называются фазными напряжениями.

       Токи в фазах приемника или источника называют фазными токами, токи в линейных проводах — линейными токами. Так как линейные провода соединены последовательно с фазами источника и приемника, линейные токи при соединении звездой являются одновременно фазными токами.

I_л=I_{ф ,} Z_N — сопротивление нейтрального провода.

Линейные напряжения равны геометрическим разностям соответствующих фазных напряжений

На рис. 7.2 изображена векторная диаграмма фазных и линейных напряжений симметричного источника.

  Из векторной диаграммы видно, что U_л =U_AB=2U_ф∙cos30⁰=2U_ф√3/2=√3∙U_ф.  При симметричной системе ЭДС источника линейное напряжение больше фазного  в √3 раз. U_л = √3 U_ф.

Схема, основные соотношения и векторная диаграмма при соединении приемников звездой без нейтрального провода

Трехфазная цепь без нейтрального провода – трехпроводной.

Схема соединения источника и приемника звездой без нейтрального провода приведена на рис. 3.10.

рис. 3.10

При симметричной нагрузке, когда Za = Zb = Zc = Zφ, напряжение между нейтральной точкой источника N и нейтральной точкой приемника n равно нулю, U_nN = 0.

Соотношение между фазными и линейными напряжениями приемника также равно √3, т.е. U_Ф = U_Л /√3  , а токи в фазах определяются по формулам, что и для четырехпроводной цепи. В случае симметричного приемника достаточно определить ток только в одной из фаз. Сдвиг фаз между током и соответствующим напряжением φ = arctg (X / R).

При несимметричной нагрузке Za ≠ Zb ≠ Zc между нейтральными точками приемника и источника электроэнергии возникает напряжение смещения нейтрали U_nN.

Для определения напряжения смещения нейтрали можно воспользоваться формулой межузлового напряжения, так как схема рис 3.10 представляет собой схему с двумя узлами, , где: Ya = 1 / Za; Yb = 1 / Zb; Yc = 1 / Zc – комплексы проводимостей фаз нагрузки.

Очевидно, что теперь напряжения на фазах приемника будут отличаться друг от друга. Из второго закона Кирхгофа следует, что

Úa = Ú_A — Ú_nN; Úb = ÚB — Ú_nN; Úc = Ú_C — Ú_nN.

Зная фазные напряжения приемника, можно определить фазные токи:

İa = Úa / Za = Ya Úa; İb = Úb / Zb = Yb Úb; İc = Úc / Zc = Yc Úc.

Векторы фазных напряжений можно определить графически, построив векторную (топографическую) диаграмму фазных напряжений источника питания и UnN (рис. 3.11).

При изменении величины (или характера) фазных сопротивлений напряжение смещений нейтрали UnN может изменяться в широких пределах. При этом нейтральная точка приемника n на диаграмме может занимать разные положения, а фазные напряжения приемника Úa, Úb и Úc могут отличаться друг от друга весьма существенно.

Таким образом, при симметричной нагрузке нейтральный провод можно удалить и это не повлияет на фазные напряжения приемника. При несимметричной нагрузке и отсутствии нейтрального провода фазные напряжения нагрузки уже не связаны жестко с фазными напряжениями генератора, так как на нагрузку воздействуют только линейные напряжения генератора. Несимметричная нагрузка в таких условиях вызывает несимметрию ее фазных напряжений Úa, Úb, Úc и смещение ее нейтральной точки n из центра треугольника напряжений (смещение нейтрали). рис. 3.11

Направление смещения нейтрали зависит от последовательности фаз системы и характера нагрузки.

Поэтому нейтральный провод необходим для того, чтобы:

1)    выравнивать фазные напряжения приемника при несимметричной нагрузке;

2)    подключать к трехфазной цепи однофазные приемники с номинальным напряжением в √3   раз меньше номинального линейного напряжения сети.

Следует иметь в виду, что в цепь нейтрального провода нельзя ставить предохранитель, так как перегорание предохранителя приведет к разрыву нейтрального провода и появлению значительных перенапряжений на фазах нагрузки.

 Схема, основные соотношения и векторная диаграмма при соединении треугольником

Если конец каждой фазы обмотки генератора соединить с началом следующей фазы, образуется соединение в треугольник. К точкам соединений обмоток подключают три линейных провода, ведущие к нагрузке.

         На рис. 7.3 изображена трехфазная цепь, соединенная треугольником. Как видно из рис. 7.3, в трехфазной цепи, соединенной треугольником, фазные и линейные напряжения одинаковы. U_л = U_Ф.

I_A, I_B, I_C — линейные токи; I_ab, I_bc, I_ca— фазные токи.

 Линейные и фазные токи нагрузки связаны между собой первым законом Кирхгофа для узлов а, b, с.

Рис.7.3

Линейный ток равен геометрической разности соответствующих фазных токов.

     На рис. 7.4  изображена  векторная  диаграмма трехфазной цепи, соединенной треугольником при симметричной нагрузке. Нагрузка является симметричной, если сопротивления фаз одинаковы. Векторы фазных токов совпадают по направлению с векторами соответствующих фазных напряжений, так как нагрузка состоит из активных сопротивлений.

 Рис. 7.4 Из векторной диаграммы видно, что I_л=2I_ф∙cos30⁰=2I_ф∙√3/2=√3∙I_ф.I_л = √3 I_ф — при симметричной нагрузке.

      Трехфазные цепи, соединенные звездой, получили большее распространение, чем трехфазные цепи, соединенные треугольником. Это объясняется тем, что, во-первых, в цепи, соединенной звездой, можно получить два напряжения: линейное и фазное. Во-вторых, если фазы обмотки электрической машины, соединенной треугольником, находятся в неодинаковых условиях, в обмотке появляются дополнительные токи, нагружающие ее. Такие токи отсутствуют в фазах электрической машины, соединенных по схеме «звезда». Поэтому на практике избегают соединять обмотки трехфазных электрических машин в треугольник.

 Мощность трехфазных цепей

Трехфазная цепь является обычной цепью синусоидального тока с несколькими источниками.

         Активная мощность трехфазной цепи равна сумме активных мощностей фаз

Формула выше используется для расчета активной мощности в трехфазной цепи при несимметричной нагрузке.

 При соединении в треугольник симметричной нагрузки  U_Ф=U_л, I_Ф=I_л/√3.

При соединении в звезду U_Ф=U_л/√3, I_Ф=I_л. 

В обоих случаях

Понятие об энергоснабжении предприятий

Энергоснабжение — обеспечение предприятия всеми видами энергии и топлива. Предприятие само может производить энергию (напр., на заводской ТЭЦ) или получать ее со стороны.

Энергосбережение (экономия энергии) — реализация правовых, организационных, научных, производственных, технических и экономических мер, направленных на эффективное (рациональное) использование (и экономное расходование) топливно-энергетических ресурсов и на вовлечение в хозяйственный оборот возобновляемых источников энергии. Энергосбережение — важная задача по сохранению природных ресурсов.

К основным теплоносителям промышленности относятся следующие вещества: вода, водяной пар, топочные газа, горячий воздух, технологический пар и сжатый воздух в швейных цехах, вентиляция и кондиционеры, и др.

Для энергосбережения предприятия используют энергосберегающие устройства. В производственных цехах на подстанциях применяют ККУ(конденсаторные установки), которые компенсируют реактивную составляющую индуктивной нагрузки, но они рассчитываются на конкретную мощность.

Успешное применение энергосберегающей технологии в значительной мере предопределяет нормы технологического и строительного проектирования зданий и, в частности, требования к параметрам внутреннего воздуха, удельного тепло-, влаго-, паро-, газовыделения.

Назначение, устройство, и классификация трансформаторов

Трансформатор — это статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмоток на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений), без изменения частоты. Трансформатор осуществляет преобразование напряжения переменного тока и/или гальваническую развязку в самых различных областях применения — электроэнергетике, электронике и радиотехнике. Конструктивно трансформатор может состоять из одной (автотрансформатор) или нескольких изолированных проволочных, либо ленточных обмоток (катушек), охватываемых общим магнитным потоком, намотанных, как правило, на магнитопровод (сердечник) из ферромагнитного магнито-мягкого материала.

На схемах трансформатор обозначается следующим образом:

Центральная толстая линия соответствует сердечнику, 1 — первичная обмотка (обычно слева), 2,3 — вторичные обмотки. Число полуокружностей в очень грубом приближении символизирует число витков обмотки (больше витков — больше полуокружностей, но без строгой пропорциональности).

При обозначении трансформатора жирной точкой около вывода могут быть указаны начала катушек (не менее чем на двух катушках, знаки мгновенно действующей ЭДС на этих выводах одинаковы). Применяется при обозначении промежуточных трансформаторов в усилительных (преобразовательных) каскадах для подчёркивание син- или противофазности, а также в случае нескольких (первичных или вторичных) обмоток, если соблюдение «полярности» их подключения необходимо для работы остальной части схемы. Если начала обмоток не указаны явно, то предполагается, что все они направлены в одну сторону (после конца одной обмотки — начало следующей).

Классификация:

■ по условиям применения и эксплуатации, учитывающих требования по стойкости к внешним воздействующим факторам;

■ по функциональному назначению, которое определяется видами РЭА;

■ по параметрам входной электрической энергии (рабочее напряжение и частота);

 ■ по конструктивно-технологическим параметрам и характеристикам,

основными из которых являются конструктивные разновидности

магнитопроводов.

Работа трансформаторов в различных режимах

1. Режим холостого хода. Данный режим характеризуется разомкнутой вторичной цепью трансформатора, вследствие чего ток в ней не течёт. С помощью опыта холостого хода можно определить КПД трансформатора, коэффициент трансформации, а также потери в сердечнике. Когда вторичные обмотки ни к чему не подключены (режим холостого хода), ЭДС индукции в первичной обмотке практически полностью компенсирует напряжение источника питания, поэтому ток, протекающий через первичную обмотку, невелик. Для трансформатора с сердечником из магнитомягкого материала (ферромагнитного материала трансформаторной стали) ток холостого хода характеризует величину потерь в сердечнике (на вихревые токи и на гистерезис) и реактивную мощность перемагничивания магнитопровода. Мощность потерь можно вычислить, умножив активную составляющую тока холостого хода на напряжение, подаваемое на трансформатор.

Для трансформатора без ферромагнитного сердечника потери на перемагничивание отсутствуют, а ток холостого хода определяется сопротивлением индуктивности первичной обмотки, которое пропорционально частоте переменного тока и величине индуктивности.

Напряжение на вторичной обмотке в первом приближении определяется законом Фарадея.

2.                Нагрузочный режим. Этот режим характеризуется замкнутой на нагрузке вторичной цепью трансформатора. Данный режим является основным рабочим для трансформатора. В режиме короткого замыкания, на первичную обмотку трансформатора подается переменное напряжение небольшой величины, выводы вторичной обмотки соединяют накоротко. Величину напряжения на входе устанавливают такую, чтобы ток короткого замыкания равнялся номинальному (расчетному) току трансформатора. В таких условиях величина напряжения короткого замыкания характеризует потери в обмотках трансформатора, потери на омическом сопротивлении. Мощность потерь можно вычислить умножив напряжение короткого замыкания на ток короткого замыкания

Данный режим широко используется в измерительных трансформаторах тока.

3. Режим короткого замыкания. Этот режим получается в результате замыкания вторичной цепи накоротко. С его помощью можно определить потери полезной мощности на нагрев проводов в цепи трансформатора. Это учитывается в схеме замещения реального трансформатора при помощи активного сопротивления. При подключении нагрузки к вторичной обмотке во вторичной цепи возникает ток, создающий магнитный поток в магнитопроводе, направленный противоположно магнитному потоку, создаваемому первичной обмоткой. В результате в первичной цепи нарушается равенство ЭДС индукции и ЭДС источника питания, что приводит к увеличению тока в первичной обмотке до тех пор, пока магнитный поток не достигнет практически прежнего значения.

Схематично, процесс преобразования можно изобразить следующим образом: U₁→I₁→I₁∙N₁→ε₂→I₂.

Мгновенный магнитный поток в магнитопроводе трансформатора определяется интегралом по времени от мгновенного значения ЭДС в первичной обмотке и в случае синусоидального напряжения сдвинут по фазе на 90° по отношению к ЭДС. Наведённая во вторичных обмотках ЭДС пропорциональна первой производной от магнитного потока и для любой формы тока совпадает по фазе и форме с ЭДС в первичной обмотке.

Потери и КПД трансформаторов

Степень потерь (и снижения КПД) в трансформаторе зависит, главным образом, от качества, конструкции и материала «трансформаторного железа» (электротехническая сталь). Потери в стали состоят в основном из потерь на нагрев сердечника, на гистерезис и вихревые токи. Потери в трансформаторе, где «железо» монолитное, значительно больше, чем в трансформаторе, где оно составлено из многих секций (так как в этом случае уменьшается количество вихревых токов). На практике монолитные сердечники не применяются. Для снижения потерь в магнитопроводе трансформатора магнитопровод может изготавливаться из специальных сортов трансформаторной стали с добавлением кремния, который повышает удельное сопротивление железа электрическому току, а сами пластины лакируются для изоляции друг от друга.

КПД трансформатора находится по следующей формуле: η=

Где P₀ — потери холостого хода (кВт) при номинальном напряжении

        P_L — нагрузочные потери (кВт) при номинальном токе

        P₂ — активная мощность (кВт), подаваемая на нагрузку

        n — относительная степень нагружения (при номинальном токе n=1).

Устройство, схемы и группы соединения обмоток трехфазных трансформаторов

Существуют три основных способа соединения фазовых обмоток каждой стороны трёхфазного трансформатора:

Y-соединение («звезда»), где каждая обмотка соединена одним из концов с общей точкой, называемой нейтральной. Различают «звезду» с выводом от общей точки (обозначение Y0 или Yn) и без него (Y)

Δ-соединение («треугольник»), где три фазных обмотки соединены последовательно

Z-соединение («зигзаг»). При данном способе соединения каждая фазная обмотка состоит из двух одинаковых частей, размещенных на разных стержнях магнитопровода и соединенных последовательно, встречно. Полученные три фазные обмотки соединяются в общей точке, аналогично «звезде». Обычно применяется «зигзаг» с отводом от общей точки (Z0)

Как первичная, так и вторичная обмотки трансформатора могут быть соединены любым из трёх способов, показанным выше, в любых комбинациях. Конкретный способ и комбинация определяются назначением трансформатора.

Y-соединение обычно применяется для обмоток, работающих под высоким напряжением. Это объясняется многими причинами:

— обмотки трехфазного автотрансформатора могут быть соединены только «звездой»;

— когда вместо одного сверхмощного трехфазного трансформатора применяют три однофазных автотрансформатора соединить их иным способом невозможно;

— когда вторичная обмотка трансформатора питает высоковольтную линию, наличие заземленной нейтрали снижает перенапряжения при ударе молний. Без заземления нейтрали невозможна работа дифференциальной защиты линии, в части утечки на землю. При этом первичные обмотки всех принимающих трансформаторов на этой линии не должны иметь заземленной нейтрали;

— существенно упрощается конструкция регуляторов напряжения (переключателей отпаек). Размещение отпаек обмотки с «нейтрального» конца обеспечивает минимальное количество групп контактов. Снижаются требования к изоляции переключателя, т.к. он работает при минимальном напряжении относительно Земли;

— это соединение наиболее технологично и наименее металлоемко.

Соединение в «треугольник» применяется в трансформаторах, где одна обмотка уже соединена «звездой», в особенности с выводом нейтрали.

Эксплуатация все еще широко распространенных трансформаторов со схемой Y/Y0 оправдана, если нагрузка на его фазы одинаковая (трехфазный двигатель, трехфазная электропечь, строго рассчитанное уличное освещение и пр.) Если же нагрузка несимметричная (бытовая и прочая однофазная), то магнитный поток в сердечнике выходит из равновесия, а нескомпенсированный магнитный поток (так называемый «поток нулевой последовательности») замыкается через крышку и бак, вызывая их нагрев и вибрацию. Первичная обмотка не может этот поток скомпенсировать, т.к. её конец соединен с виртуальной нейтралью, не соединенной с генератором. Выходные напряжения будут искажены (возникнет «перекос фаз»). Для однофазной нагрузки такой трансформатор по сути является дросселем с разомкнутым сердечником, и полное его сопротивление велико. Ток однофазного короткого замыкания будет сильно занижен по сравнению с расчетным (для трехфазного к.з.), что делает ненадежной работу защитной аппаратуры.

Если же первичная обмотка соединена треугольником (трансформатор со схемой Δ/Y0), то обмотки каждого стержня имеют два вывода как к нагрузке, так и к генератору, и первичная обмотка может подмагничивать каждый стержень в отдельности, не влияя на два других и не нарушая магнитное равновесие. Однофазное сопротивление такого трансформатора будет близко к расчетному, перекос напряжения практически устранен.

С другой стороны, у обмотки треугольником усложняется конструкция переключателя отпаек (контакты под высоким напряжением).

Соединение обмотки треугольником позволяет циркулировать третьей и кратным ей гармоникам тока внутри кольца, образованного тремя последовательно соединёнными обмотками. Замыкание токов третьей гармоники необходимо для снижения сопротивления трансформатора несинусоидальным токам нагрузки (нелинейная нагрузка) и поддержания его напряжения синусоидальным. Третья гармоника тока во всех трёх фазах имеет одинаковое направление, данные токи не могут циркулировать в обмотке, соединённой звездой с изолированной нейтралью.

Недостаток троичных синусоидальных токов в намагничивающем токе может привести к значительным искажениям наведённого напряжения, в случаях, если у сердечника 5 стержней, или он исполнен в броневом варианте. Соединённая треугольником обмотка трансформатора устранит данное нарушение, так как обмотка с соединением треугольником обеспечит затухание гармонических токов. Иногда в трансформаторах предусмотрено наличие третичной Δ-соединённой обмотки, предусмотренной не для зарядки, а для предотвращения искажения напряжения и понижения полного сопротивления нулевой последовательности. Такие обмотки называются компенсационными. Распределительные трансформаторы, предназначенные для зарядки, между фазой и нейтралью на стороне первого контура, снабжены обычно соединённой треугольником обмоткой. Однако ток в соединённой треугольником обмотке может быть очень слабым для достижения минимума номинальной мощности, а требуемый размер проводника обмотки чрезвычайно неудобен для заводского изготовления. В подобных случаях высоковольтная обмотка может быть соединена звездой, а вторичная обмотка — зигзагообразно. Токи нулевой последовательности, циркулирующие в двух отводах зигзагообразно соединённой обмотки будут балансировать друг друга, полное сопротивление нулевой последовательности вторичной стороны главным образом определяется полем рассеяния магнитного поля между двумя разветвлениями обмоток, и выражается весьма незначительной цифрой.

При использовании соединения пары обмоток различными способами возможно достигнуть различных степеней напряжения смещения между сторонами трансформатора.

Сдвиг фаз между ЭДС первичной и вторичной обмоток принято выражать группой соединений. Для описания напряжения смещения между первичной и вторичной, или первичной и третичной обмотками, традиционно используется пример с циферблатом часов. Так как этот сдвиг фаз может изменяться от 0° до 360°,а кратность сдвига составляет 30°, то для обозначения группы соединений выбирается ряд чисел от 1 до 12, в котором каждая единица соответствует углу сдвига в 30°. Одна фаза первичной указывает на 12, а соответствующая фаза другой стороны указывает на другую цифру циферблата.

Наиболее часто используемая комбинация Yd11 означает, например, наличие 30º смещения нейтрали между напряжениями двух сторон

Назначение, схема и работа автотрансформатора, сварочного и измерительных трансформаторов

Автотрансформа́тор — вариант трансформатора, в котором первичная и вторичная обмотки соединены напрямую, и имеют за счёт этого не только электромагнитную связь, но и электрическую. Обмотка автотрансформатора имеет несколько выводов (как минимум 3), подключаясь к которым, можно получать разные напряжения. Преимуществом автотрансформатора является более высокий КПД, поскольку лишь часть мощности подвергается преобразованию — это особенно существенно, когда входное и выходное напряжения отличаются незначительно. Недостатком является отсутствие электрической изоляции (гальванической развязки) между первичной и вторичной цепью. Применение автотрансформаторов экономически оправдано вместо обычных трансформаторов для соединения эффективно заземленных сетей с напряжением 110 кВ и выше при коэффициентах трансформации не более 3-4.Существенным достоинством является меньший расход стали для сердечника, меди для обмоток, меньший вес и габариты, и в итоге — меньшая стоимость. Схема автотрансформатора:

Сварочный трансформатор – это аппарат, преобразующий переменное напряжение сети в переменное напряжение для сварки (как правило, понижает переменное напряжение до значения менее 141 В).

Сварочный трансформатор преобразует электрическую энергию напряжением 220 или 380 В в электрическую энергию напряжением холостого хода 60 В, необходимую для дуговой сварки металла.

 Основными конструктивными элементами сварочного трансформатора (рисунок выше) являются: магнитная система 2, обмотки ВН 1 и НН 3 и реактор (дроссель), предназначенный для регулирования вторичного тока — тока сварки путем изменения воздушного зазора магнитной цепи. Реактор состоит из неподвижной магнитной   системы 4 и ее обмоток 5 и подвижной 6, изменяющей воздушный зазор между ними. При подсоединении, как указано на схеме, проводов от трансформатора и реактора к свариваемой детали 7 и электроду 8 посредством токодержателя 9 между ними возникает дуга, плавящая металл.

 В настоящее время сварочные трансформаторы изготовляют в однокорпусном исполнении: обмотки трансформатора и реактора размещены на общей магнитной системе и закрыты одним кожухом.

Измерительный трансформатор — электрический трансформатор для контроля напряжения, тока или фазы сигнала первичной цепи. Измерительный трансформатор рассчитывается таким образом, чтобы оказывать минимальное влияние на измеряемую (первичную) цепь; минимизировать искажения пропорции и фазы измеряемого сигнала в измерительной (вторичной) цепи. Делится на трансформатор тока и напряжения.

Принципиальная схема (а) и устройство (б) трансформатора тока, предназначенного для внутренней установки:

 1.2 — соответственно первичная и вторичная обмотки; 3, 5 — кольцевые сердечники; 4 — фарфоровый изолятор; W — ваттметр; Л — амперметр; КА — реле.

Назначение, схема и работа импульсного трансформатора

Импульсный трансформатор (ИТ) — трансформатор, предназначенный для преобразования тока и напряжения импульсных сигналов с минимальным искажением исходной формы импульса на выходе.

Импульсные трансформаторы, предназначенные для трансформирования коротких импульсов с минимальными искажениями и работающие в режиме переходных процессов, находят применение в различных импульсных устройствах. Импульсные трансформаторы позволяют изменить уровень и полярность формируемого импульса напряжения или тока, согласовать сопротивление генератора импульсов с сопротивлением нагрузки, отделить потенциалы источника и приемника импульсов, получить на нескольких раздельных нагрузках импульсы от одного генератора, создать обратную связь в контурах схемы импульсного устройства. Импульсный трансформатор может быть также использован и как преобразовательный элемент, например дифференцирующий трансформатор.

Генерация мощных импульсов современных параметров невозможна без применения высоковольтных импульсных трансформаторов. Получаемая форма выходных импульсов во многом определяется свойствами ИТ, особенно при большом коэффициенте трансформации. Применение выходных повышающих ИТ позволяет резко сократить габариты, вес и стоимость генерирующих устройств, хотя и негативно влияет на форму квазипрямоугольных импульсов, увеличивая относительные длительности фронта, среза и неравномерность вершины. В связи с этим величина коэффициента трансформации современных выходных ИТ при длительности импульсов в единицы и десятки микросекунд возрастает до 10 — 20 и более.

Наибольшее распространение получили ИТ, трансформирующие импульсы, по форме близкие к прямоугольным, которые обладают крутым фронтом и постоянством напряжения вершины импульса, необходимыми для работы широкого класса нагрузок. Импульс прямоугольной формы должен быть трансформирован с малыми искажениями, длительность фронта импульса должна быть значительно меньше длительности импульса и переходные процессы при трансформации фронта и вершины импульса рассматриваются раздельно. Эквивалентные схемы ИТ при раздельном рассмотрении переходных процессов упрощаются и позволяют установить связь между параметрами эквивалентных схем и конструктивными параметрами ИТ и найти такие соотношения между ними, при которых удовлетворяются требования к длительности фронта и скосу вершины импульса.

Трансформация фронта импульса с малыми искажениями достигается при малых значениях индуктивности рассеяния и распределенной емкости трансформатора, которые уменьшаются с уменьшением числа витков обмоток и сечения магнитопровода ИТ. В то же время для трансформации вершины импульса с малым спадом следует стремиться к увеличению индуктивности намагничивания трансформатора, возрастающей с увеличением числа витков и сечения магнитопровода.

Удовлетворение одновременно нескольким поставленным требованиям при расчете ИТ потребует нахождения компромиссного решения. Оно должно быть принято в зависимости от значимости того или иного поставленного требования.

Расчеты ИТ производятся на основе приближенной эквивалентной схемы с сосредоточенными параметрами. Индуктивный эффект и потери в проводах обмоток можно учитывать с помощью известной Т-образной эквивалентной схемы.

Параметры схемы:

Lmu— индуктивность намагничивания трансформатора, учитывающая запасание энергии в основном потоке взаимной индукции магнитопровода при приложении напряжения к первичной обмотке. С потоком в сердечнике связан ток намагничивания, протекающий по первичной обмотке;

L_s1, L_s2 — индуктивности рассеяния обмоток, учитывающие запасание энергии в потоках рассеяния, связанных с протеканием по обмоткам тока нагрузки;

R₁, R₂ — активные сопротивления проводов обмоток, учитывающие потери при протекании по ним тока нагрузки;

 R_B— эквивалентное сопротивление, учитывающие потери энергии в магнитопроводе на гистерезис и вихревые токи.

Машины постоянного тока, устройство и принцип действия

Машина постоянного тока — электрическая машина, предназначенная для преобразования механической энергии в электрическую постоянного тока (генератор) или для обратного преобразования (двигатель). Машина постоянного тока обратима.

Машина постоянного тока образуется из синхронной обращённой конструкции, если её якорь снабдить коллектором, который в генераторном режиме играет роль выпрямителя, а в двигательном — преобразователя частоты. Благодаря наличию коллектора по обмотке якоря проходит переменный ток, а во внешней цепи, связанной с якорем, — постоянный.

Различают следующие виды машин постоянного тока:

1)    по наличию коммутации: с коммутацией (обычные); без коммутации (униполярный генератор и униполярный электродвигатель);

2)    по типу переключателей тока:  с коллекторными переключателями тока (с щёточно-коллекторным переключателем); с бесколлекторными переключателями тока (с электронным переключателем (вентильный электродвигатель)).

3)    по мощности: микромашины — до 500 мВт; малой мощности — 0,5-10 кВт; средней мощности — 10-200 кВт; большой мощности — более 200 кВт.

4)    в зависимости от частоты вращения: тихоходные — до 300 об./мин.; средней быстроходности — 300—1500 об./мин.; быстроходные — 1500-6000 об./мин.; сверхбыстроходные — более 6000 об./мин.

5)    по расположению вала: горизонтальные; вертикальные.

В принципе одна и та же машина постоянного тока может работать и как двигатель, и как генератор. Такое свойство машины постоянного тока, так называемое обратимость, предоставляет нам возможность не подвергать рассмотрению отдельно устройство генератора или двигателя. Тем не менее, всякую электрическую машину завод выпускает для обусловленного, определённого назначения – это функционировать только в качестве двигателя или только в качестве генератора. Лишь иногда применяют машины постоянного тока, подготовленные для работы, как двигателем, так и генератором.

Генераторы постоянного тока используют, когда требуется независимый источник тока, к примеру, для питания отдельных видов электромагнитов, электролизных ванн, электромагнитных муфт, электродвигателей, сварочных установок и т.п. В случаях, когда требуется плавная регулировка скорости, используют электродвигатели постоянного тока, например в электровозах, троллейбусах, некоторых типах подъемных кранов, в устройствах автоматики.

Статор машины постоянного тока состоит из сердечника и станины. Производят станину из малоуглеродистой стали, имеющей большую магнитную проницаемость. Благодаря этому станина служит и магнитопроводом. В то же время она является основной деталью, объединяющей другие детали и сборочные единицы (узлы) машины в одно целое.

 Изнутри на болтах к станине крепят полюсы, состоящие из полюсного наконечника, сердечника и катушки. Плюсы делятся на главные и дополнительные. Для возбуждения магнитного поля служат главные полюсы; отчего обмотку их катушек именуют обмоткой возбуждения. В машинах повышенной мощности (более 1 кВт) устанавливают дополнительные полюсы для улучшения работы машины; соединяют обмотку дополнительных полюсов последовательно с обмоткой ротора.

Ротор машины постоянного тока состоит из сердечника и обмотки. Из топких листов электротехнической стали набирают сердечник якоря, которые в свою очередь изолированы друг от друга лаковым покрытием, тем самым снижая потери на вихревые токи. Обмотку якоря укладывают в пазы сердечника. А в сердечнике якоря производят вентиляционные каналы. В машине постоянного тока устанавливают коллектор, для того чтобы ток проходил в одном и том же направлении от обмотки якоря во внешнюю цепь (в генераторе) или из внешней цепи к обмотке якоря (в двигателе). Набирание коллектора происходит из медных пластин, изолированных друг от друга миканитовыми прокладками. К нескольким или одному виткам обмотки якоря присоединяют каждую пластину коллектора.

Коллектор и сердечник якоря закрепляют на одном и том же валу. Благодаря этому, коллектор играет роль устройства, конструктивно объединенное с якорем (ротором) электрической машины и являющееся механическим преобразователем частоты.

Токосъемные щетки скользят по составляющим коллектора, присоединенным к виткам обмотки якоря пластинам, изолированным друг от друга. Сквозь эти щетки обмотка якоря и коллектор подсоединяется к внешней электрической цепи. Щетки устанавливают в обоймы щеткодержателя, а также прижимают пружинами к коллектору. На момент работы машины щетки скользят по коллектору. Щеткодержатели же в своё время крепят в траверсе.

Машина постоянного тока может работать в двух режимах: двигательном и генераторном, в зависимости от того, какую энергию к ней подвести — если электрическую, то электрическая машина будет работать в режиме электродвигателя, а если механическую — то будет работать в режиме генератора. Однако электрические машины, как правило предназначены, заводом изготовителем, для одного определенного режима работы — или в режиме генератора, или электродвигателя.

Электродвигатели постоянного тока стоят почти на каждом автомобиле, это стартер, электропривод стеклоочистителя, вентилятор «печки» и др.

В роли индуктора выступает статор, на котором расположена обмотка. На неё подаётся постоянный ток, в результате чего вокруг неё создаётся постоянное магнитное поле. Обмотка ротора состоит из проводников, запитанных через коллектор. В результате на них действуют пары сил Ампера, которые вызывают вращающий момент. Направление сил определяется по правилу «буравчика». Однако этот вращающий момент способен повернуть ротор только на 180⁰, после чего он остановится. Чтобы это предотвратить, используется щёточно-коллекторный узел, выполняющий роль переключателя полюсов и датчика положения ротора (ДПР).

В генераторе индуктором также является статор, создающий постоянное магнитное поле между соответствующими полюсами. При вращении ротора, в проводниках обмотки якоря, перемещающихся в магнитном поле, по закону электромагнитной индукции наводится ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки. Переменная ЭДС обмотки якоря выпрямляется с помощью коллектора, через неподвижные щетки, посредством которых обмотка соединяется с внешней сетью.

Автомобильный генератор представляет собой генератор переменного трёхфазного тока с трёхфазным выпрямителем на шести диодах по схеме академика Ларионова.

Асинхронные электродвигатели, устройство и принцип действия

Асинхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой не равна (в двигательном режиме меньше) частоте вращения магнитного поля, создаваемого током обмотки статора.

В ряде стран к асинхронным машинам причисляют также коллекторные машины. Второе название асинхронных машин — индукционные вследствие того, что ток в обмотке ротора индуцируется вращающимся полем статора. Асинхронные машины сегодня составляют большую часть электрических машин. В основном они применяются в качестве электродвигателей и являются основными преобразователями электрической энергии в механическую.

Достоинства:

1)Лёгкость в изготовлении.

2)Отсутствие электрического контакта ротора со статической частью машины.

Недостатки:

1)Небольшой пусковой момент.

2)Значительный пусковой ток.

Асинхронная машина имеет статор и ротор, разделённые воздушным зазором. Её активными частями являются обмотки и магнитопровод (сердечник); все остальные части — конструктивные, обеспечивающие необходимую прочность, жёсткость, охлаждение, возможность вращения и т. п.

Обмотка статора представляет собой трёхфазную (в общем случае — многофазную) обмотку, проводники которой равномерно распределены по окружности статора и пофазно уложены в пазах с угловым расстоянием 120 эл.град. Фазы обмотки статора соединяют по стандартным схемам «треугольник» или «звезда» и подключают к сети трёхфазного тока. Магнитопровод статора перемагничивается в процессе изменения тока в обмотке статора, поэтому его набирают из пластин электротехнической стали для обеспечения минимальных магнитных потерь. Основным методом сборки магнитопровода в пакет является шихтовка.

По конструкции ротора асинхронные машины подразделяют на два основных типа: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором. Оба типа имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь исполнением обмотки ротора. Магнитопровод ротора выполняется аналогично магнитопроводу статора — из пластин электротехнической стали.

Принцип действия: На обмотку статора подаётся переменное напряжение, под действием которого по этим обмоткам протекает ток и создаёт вращающееся магнитное поле. Магнитное поле воздействует на обмотку ротора и по закону электромагнитной индукции наводит в ней ЭДС. В обмотке ротора под действием наводимой ЭДС возникает ток. Ток в обмотке ротора создаёт собственное магнитное поле, которое вступает во взаимодействие с вращающимся магнитным полем статора. В результате на каждый зубец магнитопровода ротора действует сила, которая, складываясь по окружности, создаёт вращающий электромагнитный момент, заставляющий ротор вращаться.

Синхронные электродвигатели, устройство и принцип действия

Синхронная машина — это электрическая машина переменного тока, частота вращения ротора которой равна частоте вращения магнитного поля в воздушном зазоре.

Разновидности синхронных машин: Гидрогенератор — явнополюсный синхронный генератор, предназначенный для выработки электрической энергии в работе от гидравлической турбины (при низких скоростях вращения 50-600 об/мин).

Турбогенератор — неявнополюсный синхронный генератор, предназначенный для выработки электрической энергии в работе от паровой или газовой турбины при высоких скоростях вращения ротора (6000 (редко), 3000, 1500 об/мин.)

Синхронный компенсатор — синхронный двигатель, предназначенный для выработки реактивной мощности, работающий без нагрузки на валу (в режиме холостого хода); при этом по обмотке якоря проходит практически только реактивный ток. Синхронный компенсатор может работать в режиме улучшения коэффициента мощности или в режиме стабилизации напряжения. Дает ёмкостную нагрузку.

Машина двойного питания (в частности АСМ) — синхронная машина с питанием обмоток ротора и статора токами разной частоты, за счёт чего создаются несинхронные режимы работы.

Ударный генератор — синхронный генератор (как правило, трёхфазного тока), предназначенный для кратковременной работы в режиме короткого замыкания (КЗ).

Также существуют безредукторные, шаговые, индукторные, гистерезисные, бесконтактные синхронные двигатели.

Устройство. Основными частями синхронной машины являются якорь и индуктор. Наиболее частым исполнением является такое, при котором якорь располагается на статоре, а на отделённом от него воздушным зазором роторе находится индуктор.

Якорь представляет собой одну или несколько обмоток переменного тока. В двигателях токи, подаваемые в якорь, создают вращающееся магнитное поле, которое сцепляется с полем индуктора, и таким образом происходит преобразование энергии. Поле якоря оказывает воздействие на поле индуктора и называется поэтому также полем реакции якоря. В генераторах поле реакции якоря создаётся переменными токами, индуцируемыми в обмотке якоря от индуктора.

Индуктор состоит из полюсов — электромагнитов постоянного тока или постоянных магнитов (в микромашинах). Индукторы синхронных машин имеют две различные конструкции: явнополюсную или неявнополюсную. Явнополюсная машина отличается тем, что полюса ярко выражены и имеют конструкцию, схожую с полюсами машины постоянного тока. При неявнополюсной конструкции обмотка возбуждения укладывается в пазы сердечника индуктора, весьма похоже на обмотку роторов асинхронных машин с фазным ротором, с той лишь разницей, что между полюсами оставляется место, незаполненное проводниками (так называемый большой зуб). Неявнополюсные конструкции применяются в быстроходных машинах, чтобы уменьшить механическую нагрузку на полюса.

Для уменьшения магнитного сопротивления, то есть для улучшения прохождения магнитного потока применяются ферромагнитные сердечники ротора и статора. В основном они представляют собой шихтованную конструкцию из электротехнической стали (то есть набранную из отдельных листов). Электротехническая сталь обладает рядом интересных свойств. В том числе она имеет повышенное содержание кремния, чтобы повысить её электрическое сопротивление и уменьшить тем самым вихревые токи.

Принцип действия. Двигательный принцип. Принцип действия синхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля якоря и магнитного поля полюсов индуктора. Обычно якорь расположен на статоре, а индуктор — на роторе. В мощных двигателях в качестве полюсов используются электромагниты (ток на ротор подаётся через скользящий контакт щетка — кольцо), в маломощных — постоянные магниты. Существует обращённая конструкция двигателей, в которой якорь расположен на роторе, а индуктор — на статоре (в устаревших двигателях, а также в современных криогенных синхронных машинах, в которых в обмотках возбуждения используются сверхпроводники.)

Запуск двигателя. Двигатель требует разгона до частоты, близкой к частоте вращения магнитного поля в зазоре, прежде чем сможет работать в синхронном режиме. При такой скорости вращающееся магнитное поле якоря сцепляется с магнитными полями полюсов индуктора (если индуктор расположен на статоре, то получается, что вращающееся магнитное поле вращающегося якоря (ротора) неподвижно относительно постоянного поля индуктора (статора), если индуктор на роторе, то магнитное поле вращающихся полюсов индуктора (ротора) неподвижно относительно вращающегося магнитного поля якоря (статора)) — это явление называется «вход в синхронизм».

Для разгона обычно используется асинхронный режим, при котором обмотки индуктора замыкаются через реостат или накоротко, как в асинхронной машине, для такого режима запуска в машинах на роторе делается короткозамкнутая обмотка, которая также выполняет роль успокоительной обмотки, устраняющей «раскачивание» ротора при синхронизации. После выхода на скорость близкую к номинальной (>95%) индуктор запитывают постоянным током.

В двигателях с постоянными магнитами применяется внешний разгонный двигатель.

Часто на валу ставят небольшой генератор постоянного тока, который питает электромагниты.

Также используется частотный пуск, когда частоту тока якоря постепенно увеличивают от 0 до номинальной величины. Или наоборот, когда частоту индуктора понижают от номинальной до 0, т.е. до постоянного тока.

Частота вращения ротора  n[об/мин] остаётся неизменной, жёстко связанной с частотой сети  f[Гц] соотношением: n=60f/p, где  p — число пар полюсов ротора.

Синхронные двигатели при изменении возбуждения меняют импеданс с емкостного на индуктивный. Перевозбуждённые СД на холостом ходу применяют в качестве компенсаторов реактивной мощности. Синхронные двигатели в промышленности обычно применяют при единичных мощностях свыше 300 кВт, при меньших мощностях обычно применяется более простой (и надежный) асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором.

Генераторный режим. Обычно синхронные генераторы выполняют с якорем, расположенным на статоре, для удобства отвода электрической энергии. Поскольку мощность возбуждения невелика по сравнению с мощностью, снимаемой с якоря (0,3…2%), подвод постоянного тока к обмотке возбуждения с помощью двух контактных колец не вызывает особых затруднений. Принцип действия синхронного генератора основан на явлении электромагнитной индукции; при вращении ротора магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, сцепляется поочередно с каждой из фаз обмотки статора, индуцируя в них ЭДС. В наиболее распространенном случае применения трехфазной распределенной обмотки якоря в каждой из фаз, смещенных друг относительно друга на 120⁰, индуцируется синусоидальная ЭДС. Соединяя фазы по стандартным схемам «треугольник» или «звезда», на выходе генератора получают трехфазное напряжение, являющееся общепринятым стандартом для магистральных электросетей.

Частота индуцируемой ЭДС  f[Гц] связана с частотой вращения ротора  n[об/мин] соотношением:

f=np/60, где p  — число пар полюсов ротора.

Часто синхронные генераторы используют вместо коллекторных машин для генерации постоянного тока, подключая их обмотки якоря к трехфазным выпрямителям.  

Пускорегулирующая аппаратура для ручного, полуавтоматического и автоматического управления и защиты

Пускорегулирующий аппарат—светотехническое изделие, с помощью которого осуществляется питание разрядной лампы от электрической сети, обеспечивающее необходимые режимы зажигания, разгорания и работы лампы и конструктивно оформленное в виде единого аппарата или нескольких отдельных блоков.

Для ручного управления и защиты.

Аппараты ручного управления: рубильник; силовой распределительный ящик; рубильник-предохранитель: нож; контактные губки; траверса; рукоятка; изоляционная плита;  контактная стойка; шкаф; встроенный рубильник;  предохранитель;  рычажная система; подвижный нож-предохранитель.

К аппаратам защиты относятся плавкие предохранители, электромагниты и тепловые реле защиты.

Для полуавтоматического и Для автоматического.

Для пуска металлорежущих станков и управления их работой применяется различная аппаратура: рубильники, пускатели, переключатели, контакторы. При помощи рубильников электросеть подключается к станкам. Для этого же предназначены пакетные переключатели, которые более компактны и безопасны в работе. Приводятся они в действие ручным поворотным ключом, на оси которого имеются пакеты электроконтактов.

При помощи контакторов и магнитных пускателей осуществляется пуск электродвигателей станков.

Для управления станками в автоматическом или полуавтоматическом режиме используются различные путевые концевые переключатели (ограничители хода), срабатывающие при определенном перемещении суппорта станка или какой-либо его подвижной части (стола, шпинделя). При срабатывании они или отключают полностью станок от работы или включают обратное реверсивное движение.

Реле защиты и управления

Реле — электрическое устройство (выключатель), предназначенное для замыкания и размыкания различных участков электрических цепей при заданных изменениях электрических или неэлектрических входных величин. Различают электрические, механические и тепловые реле.

Обеспечение надежной и устойчивой работы Единой национальной электрической сети (ЕНЭС) в определяющей мере связано с функционированием релейной защиты и линейной автоматики (РЗА), предназначенной осуществлять быструю и селективную автоматическую ликвидацию повреждений и анормальных режимов в электрической части энергосистемы. Произошедший за последние годы скачок в развитии средств РЗА определяет необходимость ориентации на широкое внедрение на объектах ЕНЭС систем РЗА на базе интеллектуальных микропроцессорных (МП) устройств. Новые качества и возможности МП устройств, в свою очередь, определяют необходимость внесения корректировок в идеологию построения систем РЗА энергообъектов и соответственно в практику эксплуатации этих систем.

Реле защиты электротехнических устройств и сетей выполняются для защиты от обрыва цепи, превышения тока, а также превышения или снижения напряжения питания. Они рассчитаны на многократное использование, но из-за значительной тепловой инерции (низкая скорость срабатывания) не обеспечивают защиту от токов короткого замыкания.

Выбор типа и мощности электродвигателя для различных условий работы

Электродвигатель должен наиболее полно отвечать технико-экономическим требованиям, т. е. отличаться простотой конструкции, надежностью в эксплуатации, наименьшей стоимостью, небольшими габаритами и массой, обеспечивать простое управление, удовлетворять особенности технологического процесса и иметь высокие энергетические показатели при различных режимах работы.

При работе электропривода с длительной постоянной нагрузкой задача выбора электродвигателя (постоянного тока, асинхронного, синхронного) относительно проста.

Для электропривода, не требующего регулирования скорости в больших диапазонах ее изменения, рекомендуется применять синхронные двигатели. Эта рекомендация объясняется тем, что современный синхронный двигатель пускается в ход также быстро как и асинхронный, а его габариты меньше и работа экономичнее, чем асинхронного двигателя той же мощности (у синхронного двигателя выше коэффициент мощности cosφ и больше максимальный момент Mmax на валу).

При этом у асинхронных двигателей последнего поколения можно достаточно эффективно регулировать скорость вращения, осуществлять реверс с необходимым моментом для работы электропривода, но для этого применяются специальные устройства управления.

Но если электродвигатель привода должен работать в условиях регулируемой частоты вращения, реверса, частых пусков, больших изменений нагрузки, то при выборе вида двигателя необходимо сопоставить условия работы электропривода с особенностями механических характеристик различных видов электродвигателей.

В электротехнике принято различать естественную и искусственную механические характеристики двигателя. Естественная характеристика соответствует номинальным (рабочим) условиям его включения, нормальной схеме соединений и отсутствию каких-либо добавочных элементов в цепях двигателя и соединении этих цепей по специальным схемам.

Важным критерием для оценки механических характеристик электродвигателя служит их жесткость.

Оптимальный выбор мощности электродвигателя для привода должен удовлетворять следующим требованиям: надежность в работе;  возможность работоспособного состояния в различных условиях;  экономичность в эксплуатации.

Установка двигателя большей мощности, чем это необходимо по условиям работы привода, вызывает излишние потери энергии при работе электрической машины, обуславливает дополнительные капитальные вложения, увеличение массы и габаритов двигателя.

Установка электродвигателя меньшей мощности снижает производительность электропривода и делает его работу ненадежной. При этом сам электродвигатель в подобных условиях может быть поврежден.

Электродвигатель необходимо выбирать так, чтобы его мощность использовалась возможно полнее. Во время работы двигатель не должен нагреваться до предельно допустимой температуры, в крайнем случае на очень непродолжительное время. Кроме того, двигатель должен нормально работать при возможных временных перегрузках и развивать пусковой момент на валу тот, который требуется для нормального функционирования исполнительного механизма.

Источники света и осветительная аппаратура

Источник света — любой объект, излучающий энергию в световом спектре. По своей природе подразделяются на искусственные и естественные.

Источники: фотолюминесценция (падающий на вещество свет частично отражается и частично поглощается),  катодолюминесценция (свечение твердых тел, вызванное бомбардировкой их электронами), хемилюминесценция (при некоторых химических реакциях, идущих с выделением энергии, часть этой энергии непосредственно расходуется на излучение света), тепловые излучения – лампы.

Осветительная аппаратура – лампы накаливания, галогенные, люминесцентные, разрядные, компактная, криптоновая, ртутная, стандартная, оптоволокно.

Источники света, которые используются при съемке кино- или телекамерой, именуют по-разному, однако более предпочтительными названиями являются: студийный светильник, осветительный прибор или фонарь.

Провода и кабели, выбор сечения проводов по допустимому нагреву и допустимой потере напряжения

Расчёт сечения проводов и кабелей осуществляется обычно тремя способами:

 — по допустимому нагреву

 — по допустимой потере напряжения

 — по механической прочности

        После выполнения этих расчётов выбирают стандартное сечения жилы проводника, равное максимальному из расчётных значений (или ближайшее большее).

При относительно небольшой длине линий ( ~ до 30м) расчёт на нагревание является определяющим. При прохождении по проводнику электрического тока выделяется тепло и проводник нагревается. Количество выделенного тепла в проводнике:  Q = I²rt    дж, где I — сила тока, а; r — сопротивление проводника, ом; t — время прохождения тока, сек .

Нагрев изолированных проводов не должен быть выше определённого предела, т.к. изоляция при сильном нагреве может обуглиться и даже загореться. Для безаварийной работы проводов и кабелей нормами установлена предельно допустимая температура нагрева ( 60-80^о С) в зависимости от типа изоляции, условий монтажа и температуры окружающей среды. Применяя эти установки. а также зная максимальную силу тока в проводе по таблицам  выбирают сечение проводника. Сечение проводника всегда выбирают равным или большим (но ни вкоем случае ни меньшим), чем расчётное значение тока нагрузки.

По нормам международных стандартов в быту и на производстве в основном требуется применение проводников из меди, поэтому данные на алюминевые проводники здесь опускаются.

 Для упрощённого пересчета медь-алюминий можно применить следующее:  нижнее стандартное значение сечения(согласно линейки стандарных сечений) медного проводника равно следующему большему стандартному значению сечения  для алюминиевого провода (напр. 1.5 мм² медного провода = 2.5 мм² алюминиевого провода).

Сечение проводов и кабелей по допустимой потере напряжения определяют главным образом для осветительных сетей. Для силовых сетей этот метод применяют лишь при сравнительно большой их протяжённости.

Допустимую потерю напряжения от источника тока до наиболее отдаленной по значению нагрузки ( в процентах от номинального напряжения) можно применять: ∆U% = 5,0% — для силовых сетей напряжением до 1000в; ∆U% = 2,5% — для осветительных сетей

Сечение проводов и кабелей с одинаковым сечением по всей длине рассчитывают по следующим формулам:

           1.Для трёхфазной сети с сосредоточенной нагрузкой в конце линии

где: S — сечение фазных проводов, жил кабелей, шин мм²

Рк -мощность приемника, присоединенного  к сети длиной L на участке длиной lk (l₁+l₂+…ln), ), kW; lk — длина участка сети между точками присоединения приемника и источника, м; √ — удельная проводимость, (для меди 58…55,5 mΩm); U — линейное номинальное напряжение  V ;  ∆U% — заданное значение потери напряжения.  

 Защитное заземление

Защитное заземление – преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей, которые могут оказаться под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другимпричинам (индуктивное влияние соседних токоведущих частей, вынос потенциала, разряд молнии и т. п.).

Эквивалентом земли может быть вода реки или моря, каменный уголь в карьерном залегании и т. п.

Назначение защитного заземления — устранение опасности поражения током в случае прикосновения к корпусу электроустановки и другим нетоковедущим металлическим частям, оказавшимся под напряжением вследствие замыкания на корпус и по другим причинам.

Защитное заземление следует отличать от других видов заземления, например, рабочего заземления и заземления молниезащиты.

Рабочее заземление  — преднамеренное соединение с землей отдельных точек электрической цепи, например нейтральных точек обмоток генераторов, силовых и измерительных трансформаторов, дугогасящих аппаратов, реакторов поперечной компенсации в дальних линиях электропередачи, а также фазы при использовании земли в качестве фазного или обратного провода. Рабочее заземление предназначено для обеспечения надлежащей работы электроустановки в нормальных или аварийных условиях и осуществляется непосредственно (т. е. путем соединения проводником заземляемых частей с заземлителем) или через специальные аппараты — пробивные предохранители, разрядники, резисторы и т. п.

Заземление молниезащиты  — преднамеренное соединение с землей молниеприемников и разрядников в целях отвода от них токов молнии в землю.

Принцип действия защитного заземления — снижение до безопасных значений напряжений прикосновения и шага, обусловленных замыканием на корпус и другими причинами. Это достигается путем уменьшения потенциала заземленного оборудования (уменьшением сопротивления заземлителя), а также путем выравнивания потенциалов основания, на котором стоит человек, и заземленного оборудования (подъемом потенциала основания, на котором стоит человек, до значения, близкого к значению потенциала заземленного оборудования).

Электронно-дырочный переход: образование, физические процессы, тепловой и электрический пробои

p-n-Переход (n — negative — отрицательный, электронный, p — positive — положительный, дырочный), или электронно-дырочный переход — область пространства на стыке двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому. p-n-Переход является основой для полупроводниковых диодов, триодов и других электронных элементов с нелинейной вольт-амперной характеристикой.

Ввиду неравномерной концентрации на границе раздела полупроводников р- и n-типа возникает диффузионный ток, за счет него электроны из n-области переходят в p— область, а на их месте остаются некомпенсированные заряды положительных ионов донорной примеси. Электроны, приходящие в р-область, рекомбинируют с дырами, и возникают некомпенсированные заряды отрицательных ионов акцепторной примеси. Ширина р n перехода составляет десятые доли микрона. На границе раздела возникает внутреннее электрическое поле р—n перехода, которое будет тормозящим для основных носителей заряда и будет их отбрасывать от границы раздела. Для неосновных носителей заряда поле будет ускоряющим, и перенесет их в область, где они станут основными. Максимум напряженности электрического поля будет наблюдаться на границе раздела. Распределение потенциала по ширине полупроводника называется потенциальной диаграммой. Разность потенциалов на р-n переходе называется контактной разностью потенциалов, или потенциальным барьером. Для того чтобы основной носитель заряда смог преодолеть р-n переход, его энергия должна быть достаточной для преодоления потенциального барьера.

Физические процессы: Область на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности называется электронно-дырочным, или р-n-переходом.

Электронно-дырочный переход обладает свойством несимметричной проводимости, т. е. имеет нелинейное сопротивление. Работа большинства полупроводниковых приборов, применяемых в радиоэлектронике, основана на использовании свойств одного или нескольких р-n-переходов. Рассмотрим физические процессы в таком переходе.

Пусть внешнее напряжение на переходе отсутствует. Так как носители заряда в каждом полупроводнике совершают беспорядочное тепловое движение, т. е. имеются собственные скорости, то происходит их диффузия (проникновение) из одного полупроводника в другой. Носители перемещаются оттуда, где их концентрация велика, туда, где концентрация мала. Таким образом, из полупроводника п-типа в полупроводник р-типа диффундируют электроны, а в обратном направлении из полупроводника р-типа в полупроводник n-типа диффундируют дырки.

В результате диффузии носителей по обе стороны границы раздела двух полупроводников с различным типом электропроводности создаются объемные заряды различных знаков. В области n возникает положительный объемный заряд. Он образован главным образом положительно заряженными атомами донорной примеси и в небольшой степени пришедшими в эту область дырками. Подобно этому в области р возникает отрицательный объемный заряд, образованный отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси и отчасти пришедшими сюда электронами.

Между образовавшимися объемными зарядами возникает так называемая контактная разность потенциалов и электрическое поле.

В р-n-переходе возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузионному переходу носителей.

Чем больше концентрация примесей, тем выше концентрация основных носителей и тем большее количество их диффундирует через границу. Плотность объемных зарядов возрастает и увеличивается контактная разность потенциалов, т. е. высота потенциального барьера. При этом толщина р-n-перехода уменьшается.

Одновременно с диффузным перемещением основных носителей через границу происходит и обратное перемещение носителей под действием электрического поля контактной разности потенциалов. Это поле перемещает дырки из n-области обратно в р-область и электроны из р-области обратно в n-область. При определенной температуре р-n-переход находится в состоянии динамического равновесия. Каждую секунду через границу в противоположных направлениях диффундирует определенное количество электронов и дырок, а под действием поля такое же их количество дрейфует в обратном направлении.

Перемещение носителей за счет диффузии является диффузионным током, а движение носителей под действием поля представляет собой ток проводимости. При динамическом равновесии перехода эти токи равны и противоположны по направлению. Поэтому полный ток через переход равен нулю, что и должно быть при отсутствии внешнего напряжения. Каждый из токов имеет электронную и дырочную составляющие. Величины этих составляющих различны, так как они зависят от концентрации и подвижности носителей. Высота потенциального барьера всегда автоматически устанавливается именно такой, при которой наступает равновесие, т. е. диффузионный ток и ток проводимости взаимно компенсируют друг друга.

Тепловой пробой.

Тепловой пробой диода возникает вследствие перегрева перехода проходящим через него током при недостаточном теплоотводе, не обеспечивающем устойчивость теплового режима перехода.

В режиме постоянного тока мощность, подводимая к переходу, определяется обратным напряжением и обратным током:P_подв=U_оббI_обр.

       Эта мощность идет на разогрев перехода, в результате чего температура перехода возрастает. При этом увеличиваются концентрации носителей заряда в p-n-структуре и обратный ток перехода, что в свою очередь приводит к увеличению подводимой мощности, новому повышению температуры перехода и т. д.

Выделяющееся тепло в переходе рассеивается преимущественно за счет теплопроводности, поэтому отводимая от перехода мощность пропорциональна разности температур перехода и окружающей среды:

P_отв=          ,  где R_T – общее тепловое сопротивление диода.

Возможны обратимые и необратимые пробои. Обратимый пробой – это пробой, после которого p—n-переход сохраняет работоспособность. Необратимый пробой ведет к разрушению структуры полупроводника.

Существуют четыре типа пробоя: лавинный, туннельный, тепловой и поверхностный. Лавинный и туннельный пробои объединятся под названием – электрический пробой, который является обратимым. К необратимым относят тепловой и поверхностный.

Электрический пробой.

Обычно длина свободного пробег электрона в полупроводнике значительно меньше толщины электронно-дырочного перехода. Если за время свободного пробега электроны успевают набрать достаточную энергию, то возникает ударная ионизация атомов электронами. В результате ударной ионизации наступает лавинное размножение носителей заряда.

Величина напряжения пробоя зависит от рода материала. Когда приложенное напряжение приближается к напряжению пробоя, коэффициент размножения носителей резко возрастает, растет число носителей заряда в переходе, сильно увеличивается ток через переход, наступает лавинный пробой.

При значительных напряженностях электрического поля (порядка 200 кВ/см), возможен туннельный пробой, обусловленный прямым переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости смежной области, происходящим без изменения энергии электрона.

Практически при электрическом пробое могут иметь место в той или иной степени одновременно оба вида пробоя – туннельный и лавинный.

Величина напряжения пробоя существенно зависит от состояния поверхности перехода, где могут образовываться заряды того или иного знака, которые уменьшают или увеличивают результирующую напряженность поля у поверхности по сравнению ее значением в объеме. В неблагоприятном напряжении пробоя по поверхности может быть в несколько раз ниже, чем по объему. Это еще раз подчеркивает важность стабилизации свойств поверхности полупроводника, защиты ее от воздействий окружающей среды.

Диоды, тиристоры. Устройство, принцип работы, ВАХ, область применения

Диод — от окончания -од термина электрод; букв. «двухэлектродный»; корень — двухэлектродный электронный элемент, обладающий различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока. Устройство и принцип действия — электрод диода, подключаемый к положительному полюсу источника тока, когда диод открыт (то есть имеет маленькое сопротивление), называют анодом, подключаемый к отрицательному полюсу — катодом.

Диоды широко используются для преобразования переменного тока в постоянный (точнее, в однонаправленный пульсирующий). Диоды в сочетании с конденсаторами применяются для выделения низкочастотной модуляции из амплитудно-модулированного радиосигнала или других модулированных сигналов. Диоды применяются для защиты устройств от неправильной полярности включения, защиты входов схем от перегрузки, защиты ключей от пробоя ЭДС самоиндукции, возникающей при выключении индуктивной нагрузки и т. п.

Применение: Диодные выпрямители — основной компонент блоков питания практически всех электронных устройств, Диодные детекторы — применяются в радиоприёмных устройствах: радиоприёмниках, телевизорах и т. п. Используется квадратичный участок вольт-амперной характеристики диода, диодная защита —  для защиты входов аналоговых и цифровых схем от перегрузки используется цепочка из двух диодов, подключенных к шинам питания в обратном направлении, защищаемый вход подключается к средней точке этой цепочки, Диодные переключатели – применяются для коммутации высокочастотных сигналов. Управление осуществляется постоянным током, разделение ВЧ и управляющего сигнала с помощью конденсаторов и индуктивностей, диодная искрозащита — этим не исчерпывается применение диодов в электронике, однако другие схемы, как правило, весьма узкоспециальны. Совершенно другую область применимости имеют специальные диоды, поэтому они будут рассмотрены в отдельных статьях.

Тиристор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p—n-переходами и имеющий два устойчивых состояния: закрытое состояние, то есть состояние низкой проводимости, и открытое состояние, то есть состояние высокой проводимости.

Основная схема тиристорной структуры показана на рис. 1.  Она представляет собой четырёхслойный полупроводник структуры p-n-p-n, содержащий три последовательно соединённых p-n-перехода J1, J2, J3. Контакт к внешнему p-слою называется анодом, к внешнему n-слою — катодом. В общем случае p-n-p-n-прибор может иметь до двух управляющих электродов (баз), присоединённых к внутренним слоям. Подачей сигнала на управляющий электрод производится управление тиристором (изменение его состояния). Прибор без управляющих электродов называется диодным тиристором или динистором. Такие приборы управляются напряжением, приложенным между основными электродами. Прибор с одним управляющим электродом называют триодным тиристором или тринистором (иногда просто тиристором, хотя это не совсем правильно). В зависимости от того, к какому слою полупроводника подключён управляющий электрод, тринисторы бывают управляемыми по аноду и по катоду. Наиболее распространены последние.

Описанные выше приборы бывают двух разновидностей: пропускающие ток в одном направлении (от анода к катоду) и пропускающие ток в обоих направлениях. В последнем случае соответствующие приборы называются симметричными (так как их ВАХ симметрична) и обычно имеют пятислойную структуру полупроводника. Симметричный тринистор называется также симистором или триаком. Следует заметить, что вместо симметричных динисторов, часто применяются их интегральные аналоги, обладающие лучшими параметрами.

Вольт-ампе́рная характери́стика (ВАХ) — график зависимости тока, проходящего через двухполюсник, от напряжения на этом двухполюснике. Вольт-амперная характеристика описывает поведение двухполюсника на постоянном токе. Чаще всего рассматривают ВАХ нелинейных элементов (степень нелинейности определяется коэффициентом нелинейности β=∙), поскольку для линейных элементов ВАХ представляет собой прямую линию (описывающуюся законом Ома) и не представляет особого интереса.

Характерные примеры элементов, обладающих существенно нелинейной ВАХ: диод, тиристор, стабилитрон.

Для трёхполюсных элементов (таких, как транзистор, тиристор или ламповый триод) часто строят семейства кривых, являющимися ВАХ для двухполюсника при так или иначе заданных параметрах на третьем выводе элемента.

Необходимо отметить, что в реальной схеме, особенно работающей с относительно высокими частотами (близкими к границам рабочего частотного диапазона) для данного устройства реальная зависимость напряжения от времени может пробегать по траекториям, весьма далёким от «идеальной» ВАХ. Чаще всего это связано с ёмкостью или другими инерционными свойствами элемента.

Полезно отметить некоторые свойства вольт-амперных характеристик составных элементов (схем, состоящих из нескольких двухполюсников).

Параллельное соединение — при параллельном соединении двух двухполюсников, при каждом значении напряжения складываются токи, текущие через них, а при последовательном — для каждого значения тока складываются напряжения на элементах.

Транзисторы. Устройство, схемы включения с ОБ, ОЭ, ОК. Основные характеристики

Транзистор (полупроводниковый триод) — радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналом управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов. В общем случае транзистором называют любое устройство, которое имитирует главное свойство транзистора — изменения сигнала между двумя различными состояниями при изменении сигнала на управляющем электроде.

 Структура биполярного n-p-n транзистора. Ток через базу управляет током «коллектор-эмиттер».

Схемы включения транзистора: Для включения в схему транзистор должен иметь четыре вывода — два входных и два выходных. Но транзисторы всех разновидностей имеют только три вывода. Для включения трёхвыводного прибора необходимо один из выводов объединить и поскольку таких комбинаций может только три, то существуют три базовых схем включения транзистора: Схемы включения биполярного транзистора

1)     с общим эмиттером (ОЭ) — осуществляет усиление как по току, так и по напряжению — наиболее часто применяемая схема;

2)    с общим коллектором (ОК) — осуществляет усиление только по току — применяется для согласования высокоимпедансных источников сигнала с низкоомными сопротивлениями нагрузок;

3)    с общей базой (ОБ) — усиление только по напряжению, в силу своих недостатков в однотранзисторных каскадах усиления применяется редко (в основном в усилителях СВЧ), обычно в составных схемах (например, каскодных).

Характеристики: Транзисторы BISS (Breakthrough in Small Signal, дословно — «прорыв в малом сигнале») — биполярные транзисторы с улучшенными малосигнальными параметрами. Существенное улучшение параметров транзисторов BISS достигнуто за счёт изменения конструкции зоны эмиттера. Первые разработки этого класса устройств также носили наименование «микротоковые приборы».

Транзисторы со встроенными резисторами RET (Resistor-equipped transistors) — биполярные транзисторы со встроенными в один корпус резисторами. RET транзистор общего назначения со встроенным одним или двумя резисторами. Такая конструкция транзистора позволяет сократить количество навесных компонентов и минимизирует необходимую площадь монтажа. RET транзисторы применяются для контроля входного сигнала микросхем или для переключения меньшей нагрузки на светодиоды.

Применение гетероперехода позволяет создавать высокоскоростные и высокочастотные полевые транзисторы, такие как HEMT.

Основные логические операции и их реализация на базе ИМС. Логические элементы ИЛИ, И, НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ. Таблицы истинности, логические функции

Логическими сообщениями называются такие сообщения, истинность или ложность которых может быть оценена однозначно. Логический элемент (вентиль) — часть электронной схемы, которая выполняет элементарную логическую операцию.

Каждый логический элемент имеет свое условное обозначение, имеет один или несколько входов, на которые попадаются сигналы «высокого» напряжения («1») и «низкого» напряжения(«0»), и только один выход.

Рассмотрим основные параметры логических ИМС:

1)    Рпот — мощность, потребляемая ИМС от источника питания;

2)    предельный входной ток при сигнале 0 на входе;

3)    предельный входной ток при сигнале 1 на входе;

4)    минимальное выходное напряжение при логической 1 на выходе;

5)    максимальное выходное напряжение при сигнале 0 на выходе;

6)    коэффициент разветвления, показывает, сколько ИМС той же серии можно подключить к выходу элемента;

7)    коэффициент объединения входов, показывает количество входов (например, элементs могут иметь  от 2 до 8 входов, т.е. );

    максимальное допустимое напряжение помехи, которое не вызывает ложных срабатываний элемента;

9)    параметры, характеризующие задержку при  элемента из состояния 0 в 1 и наоборот.

Логические ИМС выпускаются промышленностью в виде серий (наборов) элементов, которые обеспечивают выполнение множества логических функций, при этом обеспечивают хорошие условия согласования выхода логической ИМС со входом другой логической ИМС той же серии. В основу каждой серии кладется схемное решение основного логического элемента, на основе которого создаются более сложные схемы.

Логические схемы являются разновидностью импульсных устройств. Их особенностью является то, что они функционируют только при прямоугольных импульсах, амплитуда которых поддерживается выше. Логических элементов НЕ, ИЛИ, И могут быть построены на различных полупроводниковых приборах и ИМС, а также на гидравлических или пневматических элементах. Технико-экономические преимущества ИМС обусловили то, что в настоящее время для реализации логических операций используются почти исключительно устройства, выполненные на ИМС. Логические ИМС базируются на нескольких схемных решениях, т. е. на нескольких типах логики. В качестве основных чаще всего выбираются элементы ИЛИ—НЕ и в особенности И—НЕ.

Таблица истинности элемента ИЛИ-НЕ:

А	B	F=A+B
0	0	1
0	1	0
1	0	0
1	1	0

Таблица истинности элемента И—НЕ:

A	B	F=AB
0	0	1
0	1	1
1	0	1
1	1	0

Отрицание (инверсия), от латинского inversio -переворачиваю:

1)    соответствует частице НЕ, словосочетанию НЕВЕРНО, ЧТО;

2)    обозначение: не A, A, -A;

3)    таблица истинности: 

Инверсия логической переменной истинна, если сама переменная ложна, и, наоборот, инверсия ложна, если переменная истинна.

Логическое сложение (дизъюнкция), от латинского disjunctio — различаю:

1)    соответствует союзу ИЛИ;

2)    обозначение: +, или,  or, V;

3)    таблица истинности:

А	В	F
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

Дизъюнкция ложна тогда и только тогда, когда оба высказывания ложны.

Логическое умножение (конъюкция), от латинского conjunctio -связываю:

1)    соответствует союзу И

2)    (в естественном языке: и А, и В

                           как А, так и В

                           А вместе с В

                           А, не смотря на В                                                    

                           А, в то время как В);

3)    обозначение: Ч, •, &, и, ^, and;                                                  

4)    таблица истинности:

A	B	F
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

Конъюкция истинна тогда и только тогда, когда оба высказывания истинны.

Любое сложное высказывание можно записать с помощью основных логических операций И, ИЛИ , НЕ.

С помощью логических схем И, ИЛИ, НЕ можно реализовать логическую функцию, описывающую работу различных устройств компьютера.

Триггеры. Общие понятия. Назначения входов и выходов. Асинхронные и синхронные, однотактные и двухтактные

Триггер (триггерная система) — класс электронных устройств, обладающих способностью длительно находиться в одном из двух устойчивых состояний и чередовать их под воздействием внешних сигналов. Каждое состояние триггера легко распознаётся по значению выходного напряжения. По характеру действия триггеры относятся к импульсным устройствам — их активные элементы (транзисторы, лампы) работают в ключевом режиме, а смена состояний длится очень короткое время.

Триггер (бистабильный мультивибратор) — это цифровой автомат, имеющий несколько входов и 2 выхода.

Триггер — это устройство последовательностного типа с двумя устойчивыми состояниями равновесия, предназначенное для записи и хранения информации. Под действием входных сигналов триггер может переключаться из одного устойчивого состояния в другое. При этом напряжение на его выходе скачкообразно изменяется.

Триггерами называют такие логические устройства, выходные сигналы которых определяются не только сигналами на входах, но и предысторией их работы, то есть состоянием элементов памяти.

Триггер — один из базовых (основных) элементов цифровой техники. Некоторые исследователи включают триггер в 100 великих изобретений.

Триггер не является логическим элементом первого уровня, а сам состоит из логических элементов первого уровня — инверторов илилогических вентилей. По отношению к логическим элементам первого уровня триггер является логическим устройством второго уровня.

Триггер — элементарная ячейка оперативной памяти.

Триггер — простейшее устройство, выполняющее логическую функцию с обратной связью, то есть простейшее устройство кибернетики.

N-ичный триггер — устройство (элементарная переключаемая ячейка памяти, переключатель с N устойчивыми положениями), которое имеет N устойчивых состояний и возможность переключения из любого состояния в любое другое состояние.

Триггер — это логическое устройство с двумя устойчивыми состояниями 0 и 1, имеющие несколько входов и два выхода, один прямой, а другой инверсный.

Простейший триггер имеет 2 входа и 2 выхода.

Триггер имеет два выхода: прямой Q и инверсный . Уровнями напряжения на этих выходах определяется состояние, в котором находится триггер: если напряжение на выходе Q соответствует уровню лог. 0 (Q = 0), то принимается, что триггер находится в состоянии лог. 0, при Q = 1 триггер находится в состоянии лог. 1. Логический уровень на инверсном выходе представляет собой инверсию состояния триггера (в состоянии 0 Q = 1 и наоборот).

Триггеры имеют различные типы входов. Приведем обозначение и назначение входов триггеров:

R (от английского RESET) — раздельный вход установки в состояние 0;

S (от английского SET) — раздельный вход установки в состояние 1;

K — вход установки универсального триггера в состояние 0;

J — вход установки универсального триггера в состояние 1;

T — счетный вход;

D (от английского DELAY) — информационный вход установки триггера в состояние, соответствующее логическому уровню на этом входе;

C — управляющий (синхронизирующий) вход.

Наименование триггера определяется типами его входов. Например, RS-триггер — триггер, имеющий входы типов R и S.

По характеру реакции на входные сигналы триггеры делятся на два типа: асинхронные и синхронные. Асинхронный триггер характеризуется тем, что входные сигналы действуют на состояние триггера непосредственно с момента их подачи на входы, в синхронных триггерах — только при подаче синхронизирующего сигнала на управляющий вход С.

Асинхронный триггер изменяет своё состояние непосредственно в момент появления соответствующего информационного сигнала(ов), с некоторой задержкой равной сумме задержек на элементах, составляющих данный триггер.

Синхронные триггеры реагируют на информационные сигналы только при наличии соответствующего сигнала на так называемом входе синхронизации С (от англ. clock). Этот вход также обозначают термином «такт». Такие информационные сигналы называют синхронными. Синхронные триггеры в свою очередь подразделяют на триггеры со статическим и с динамическим управлением по входу синхронизации С. Одноступенчатые триггеры (latch, защёлки) состоят из одной ступени представляющей собой элемент памяти и схему управления, бывают, как правило, со статическим управлением. Одноступенчатые триггеры с динамическим управлением применяются в первой ступени двухступенчатых триггеров с динамическим управлением. Одноступенчатый триггер на УГО обозначают одной буквой — Т.

Двухступенчатые триггеры (flip-flop, шлёпающие) делятся на триггеры со статическим управлением и триггеры с динамическим управлением. При одном уровне сигнала на входе С информация, в соответствии с логикой работы триггера, записывается в первую ступень (вторая ступень заблокирована для записи). При другом уровне этого сигнала происходит копирование состояния первой ступени во вторую (первая ступень заблокирована для записи), выходной сигнал появляется в этот момент времени с задержкой равной задержке срабатывания ступени. Обычно двухступенчатые триггеры применяются в схемах, где логические функции входов триггера зависят от его выходов, во избежание временных гонок. Двухступенчатый триггер на УГО обозначают двумя буквами — ТТ.

Однофазные неуправляемые выпрямители: однополупериодный, двухполупериодный с выводом средней точки трансформатора, мостовой

Выпрямительные устройства относятся ко вторичным источникам электропитания, для которых первичным источником являются сети переменного тока. Выпрямитель — это устройство, которое преобразует переменное напряжение питающей сети в однонаправленное пульсирующее. Именно однонаправленное пульсирующее и назвать его постоянным немного некорректно. Существует и несколько иное определение: выпрямитель предназначен для преобразования переменного напряжения в импульсное напряжение одной полярности.

Наиболее часто в выпрямителях применяются полупроводниковые диоды. Принцип выпрямления переменного напряжения основан на нелинейной ВАХ полупроводникового диода, у которого сопротивление в прямом и обратном включении p-n-перехода сильно отличаются.

Выпрямители могут быть однополупериодные и двуполупериодные. К тому же они разделяются на однофазные и многофазные.

Итак, начнем с однофазного однополупериодного выпрямителя на полупроводниковом диоде.

Рис. 1 — Схема однофазного однополупериодного выпрямителя и графики, поясняющие принцип ее работы.

Схема однополупериодного выпрямителя до боли проста и объяснять тут нечего. Для наглядности положительные и отрицательные полуволны показаны разными цветами. Поскольку диод обладает свойствами односторонней проводимости, на выходе получается пульсирующее напряжение одной полярности. Для схемы характерны следующие параметры:

Среднее значение выпрямленного напряжения:  U_ср=_bxsinωtdωt ≈ 0.45U_bx

Действующее значение входного напряжения: U_bx=≈2.22U_ср

Среднее значение выпрямленного тока: I_ср= 

Действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора:

I₂==≈1.57I_ср

Коэффициент пульсаций p== 

К достоинствам схемы можно отнести простоту конструкции. Недостатки — большие пульсации, малые значения выпрямленного тока и напряжения, низкий КПД. Применяется такая схема для питания низкоомных нагрузок, некритичных к высоким пульсациям.

1.     Схема выпрямления с выводом от средней точки трансформатора.

 

Рис. 2 — Схема двуполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки и графики, поясняющие принцип ее работы

Пунктиром показано напряжение на входе второго диода. Как видно из графиков, во время первого полупериода первый диод открыт и на нагрузке создается падение напряжения. Во время второго полупериода первый диод закрывается, поскольку оказывается включенным в обратном направлении, а второй, наоборот, открывается и на нагрузке снова выделяется положительная полуволна. На схеме плюсиками и минусами обозначено действие полуволн переменного тока. Частота пульсаций двуполупериодного выпрямителя вдвое больше, что является его достоинством. Для такой схемы характерны следующие параметры: Uср = 0.9Uвх

Uвх = 1.11Uср

Iср = 0.9Uвх/Rн

I₂ = 0.78Iср

          p = 0.67

Достоинства: удвоенные значения Uср и Iср, вдвое меньший коэффициент пульсаций по сравнению с однополупериодной схемой. Недостатки: наличие трансформатора с двумя симметричными обмотками (что увеличивает его массогабаритные показатели). К тому же на диодах удвоенное обратное напряжение.

2.     Мостовая схема

Рис. 3 — Мостовая схема выпрямления

Параметры такие же, как и двухполупериодной схемы со средним выводом, кроме обратного напряжения (оно в два раза меньше). Положительная полуволна (с верхнего по схеме вывода трансформатора) проходит через диод VD2, затем через нагрузку, затем через VD3 ко второму выводу трансформатора. При смене направления тока работают диоды VD4, VD1. Недостатком схемы считается удвоенное число диодов.

Трехфазные выпрямители: нулевой, мостовой

Трёхфазный выпрямитель — устройство применяемое для получения постоянного тока из трёхфазного переменного тока системы Доливо-Добровольского.

Наиболее простым и надежным является трехфазный нулевой выпрямитель. В связи с тем что на вторичной стороне трансформатора выпрямляются полуволны напряжения одной полярности, достаточно на первичной стороне трансформатора управлять полуволнами напряжения также только одной полярности. Схема трехфазного нулевого выпрямителя с однотактным вентильным управлением на первичной стороне трансформатора приведена на рис. 1 . Первичная обмотка трехфазного трехстержневого трансформатора соединена треугольником с включением в каждую фазу по одному управляемому вентилю. Управляемые вентили отпираются поочередно через 120° соответственно периодичности выпрямленного напряжения при т=3.

Рисунок 2

При включении управляемого вентиля к соответствующей фазе первичной обмотки подводится полуволна линейного напряжения сети, которая трансформируется на вторичную сторону и через неуправляемые вентили данной фазы подводится к цепи сварочного контура. Продолжительность проводимости вентилей каждой фазы на вторичной стороне трансформатора составляет 2π/3+γ, где γ — угол коммутации при передаче выпрямленного тока с фазы на фазу.

Диаграммы токов и напряжений в элементах схемы выпрямителя при условии пренебрежения падением напряжения на вентилях, намагничивающей составляющей фазных токов трансформатора и пульсациями выпрямленного тока приведены на рис. 2. При этом угол фазового регулирования α=0. Диаграммы для шестифазных выпрямителей, рассматриваемые ниже, соответствуют этим же условиям. На оси 1 даны линейные напряжения сети иАB, иВC, Uca и выпрямленное напряжение ud на оси 2 — вторичные фазные токи i2a, i2b, i2c (токи неуправляемых вентилей) и первичные фазные токи i1a, i1b, i1c (токи управляемых вентилей, которые на рис. 2 не обозначены, так как по форме подобны вторичным фазным токам); на осях 3, 4, 5 — линейные токи сети iA, iB, iC. Несмотря на униполярный характер первичных фазных токов, магнитопровод трехфазного трансформатора перемагничивается за период напряжения сети. Это связано с тем, что изменения магнитного потока в каждом стержне магнитопровода при работе «своей» фазы и поочередной работе двух других фаз противоположны по знаку.

Однофазная мостовая схема выпрямления (рис.  а) содержит четыре диода V1—V4, соединенных по схеме моста и подключенных к сети переменного тока через трансформатор Т или напрямую. Трансформатор позволяет согласовать напряжение сети и выпрямленное напряжение нагрузки. В одну диагональ моста (точки 1 и 3) включен источник переменного напряжения, а в другую (точки 2 и 4) — нагрузка Rн. Общая точка 2 катодных выводов служит положительным полюсом выпрямителя, а точка 4 анодных выводов — отрицательным. В однофазной мостовой схеме диоды работают поочередно парами V1 , V3 и V2, V4 (рис. 5.6, б). В положительный полупериод напряжения и2ф ток проходит через диод V1 нагрузку Rн к диоду V3.

Рис. 5.6  Однофазная мостовая схема выпрямления (а). Графики напряжений и тока в трансформаторе ( б), напряжения и тока в нагрузке (в)

Так как в это время диоды V2, V4 закрыты, к ним прикладывается обратное напряжение, наибольшее значение которого л/2 и 2ф. В отрицательный полупериод ток проходит через диод V2, нагрузку Rн к диоду V4. При этом обратное напряжение прикладывается к диодам V1 и V3. Таким образом, ток в цепи нагрузки в каждый период проходит в одном направлении, и его среднее значение зависит от выпрямленного напряжения и сопротивления нагрузки.

 Выпрямленное напряжение Ud (рис. в) имеет постоянную составляющую Ud ср и переменную составляющую Ud„ (заштрихованная область), которая пульсирует с двукратной частотой по отношению к частоте сети. Чем меньше переменная составляющая, тем меньше пульсации. При идеальном преобразовании переменного тока в постоянный переменная составляющая равна нулю. Важным показателем работы выпрямителя служит отношение амплитуды переменной составляющей к выпрямленному напряжению, называемое коэффициентом пульсации выпрямленного напряжения: q=  = 2/(m2 — 1),

 где m — число фаз источника.

Однофазные мостовые схемы из-за больших пульсаций выпрямленного напряжения применяют в основном в электроустановках малой мощности.

Фильтры(C, L, LC, RC), коэффициент пульсаций

Фильтром называется четырехполюсник, содержащий реактивные компоненты, которые либо задерживают, либо пропускают к нагрузке токи (напряжения) одного или нескольких заданных диапазонов частот.

В основе принципа действия фильтра лежит зависимость полного эквивалентного сопротивления от частоты. Наибольшее распространение в маломощных выпрямителях нашли сглаживающие фильтры: L, LC, C и RC (рис.6). Важнейшим параметром сглаживающего фильтра является коэффициент сглаживания (S), который показывает, во сколько раз фильтр уменьшает пульсации (, для фильтра L: , для LC-фильтра: ,

где w -частота сигнала на выходе выпрямителя). На выходе фильтра напряжение оказывается хорошо сглаженным.

L-фильтр LC-фильтр С-фильр RC-фильтр

Рис. 6 Схема фильтров.

Для построения фильтров в радиоаппаратуре используется независимость от частоты (в определенном частотном диапазоне) сопротивления R и зависимость от частоты реактивного сопротивления  L, С для RC и LC цепочек.

Как уже было сказано выше в фильтрах используется зависимость полного сопротивления элементов цепочки от частоты и в общем виде описывается выражением.

Сглаживающие RС-фильтры

Фильтры используются для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Простейшим фильтром является конденсатор большой емкости, подключаемый к выходу выпрямителя. Обычно в качестве такового используют оксидные (электролитические) конденсаторы емкостью от нескольких десятков до нескольких тысяч микрофарад.

     Однако степень сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения емкостным фильтром при больших токах нагрузки оказывается недостаточной.

     Для повышения уровня сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения к выходу выпрямителя подключают более сложные фильтры, в состав которых помимо конденсаторов входят резисторы, дроссели, электронные лампы или транзисторы. Чтобы определить, какой фильтр лучше, вводят специальный параметр — коэффициент сглаживания. Он рассчитывается как отношение коэффициента пульсаций на выходе фильтра (Крвых) к коэффициенту пульсаций на его входе (Крвх):

 Кс = Крвых/Крвх

     Наиболее простым является Г-образный реостатно-емкостный фильтр, состоящий из резистора R1 и конденсатора Сф1

На рисунке показан также конденсатор С1, включенный на выходе выпрямителя. О назначении этого конденсатора сказано в предыдущем параграфе.

     Резистор R1 и конденсатор Сф1 образуют делитель напряжения пульсаций, возникающих на выходе выпрямителя (конденсатора С1). Во сколько раз сопротивление конденсатора Сф1 меньше сопротивления резистора R1 току пульсаций, во столько же раз напряжение пульсаций на конденсаторе Сф1 будет меньше, чем напряжение пульсаций на конденсаторе С1.

    Уменьшить напряжение пульсаций на нагрузке при заданной емкости конденсатора Сф1 можно путем увеличения сопротивления резистора R1. Но поскольку через R1 протекает постоянная составляющая выпрямленного тока, на резисторе теряется часть выпрямленного напряжения, и напряжение на нагрузке (на конденсаторе Сф1) оказывается меньше, чем напряжение на выходе выпрямителя (на конденсаторе С1).

     Если коэффициент сглаживания однозвенного RС-фильтра недостаточен,  т. е. амплитуда пульсаций в выпрямленном напряжении слишком велика, применяют двухзвенный RС -фильтр. В таком фильтре общий коэффициент сглаживания равен произведению коэффициентов сглаживания отдельных звеньев R1CФ1 и R2CФ2.

Сглаживающие LC-фильтры

Для увеличения КПД и уменьшения потерь выпрямленного напряжения на элементах фильтра широко применяются индуктивно-емкостные (LC) фильтры. На рисунке изображен однозвенный Г-образный LC-фильтр, состоящий из дросселя Др1 и конденсатора Сф1.

Этот фильтр отличается от однозвенного RС -фильтра тем, что резистор R1 заменен дросселем Др1. Дроссель обладает большим сопротивлением переменному току и малым сопротивлением постоянному току. В результате напряжение пульсаций, имеющихся на выходе выпрямителя, перераспределяется на делителе Др1Сф1 таким образом, что основная его часть падает на дросселе и несущественная — на конденсаторе Сф1. В то же время из-за малого сопротивления дросселя постоянному току напряжение на выходе фильтра будет мало отличаться от напряжения на выходе выпрямителя, т. е. КПД LC-фильтра оказывается выше, чем КПД RС -фильтра.

 Для увеличения коэффициента сглаживания можно последовательно с одним звеном LC-фильтра включить точно такое же второе звено.

   Уменьшить напряжение пульсаций на выходе однозвенного LC-фильтра можно также, если параллельно дросселю Др1 включить бумажный конденсатор С2, который вместе с индуктивностью дросселя Др1 образует параллельный колебательный контур. Сопротивление контура на резонансной частоте значительно выше сопротивления дросселя. Поэтому, если емкость конденсатора С2 выбрать такой, чтобы резонансная частота контура С2Др1 равнялась частоте пульсаций (50 Гц при однополупериодном выпрямлении или 100 Гц при двухполупериодном выпрямлении), большая часть напряжения пульсаций выделится в этом контуре и незначительная пойдет в нагрузку.

Однофазные и трехфазные управляемые выпрямители

Выпрямитель (электрического тока) — преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический ток.

Простейшая схема однополупериодного выпрямителя состоит только из одного выпрямляющего ток элемента (диода). На выходе — пульсирующий постоянный ток. На промышленных частотах (50—60 Гц) не имеет широкого применения, так как для питания аппаратуры требуются сглаживающие фильтры с большими величинами емкости и индуктивности, что приводит к увеличению габаритно-весовых характеристик выпрямителя. Однако схема однополупериодного выпрямления нашла очень широкое распространение в импульсных блоках питания с частотой переменного напряжения свыше 10 КГц, широко применяющихся в современной бытовой и промышленной аппаратуре. Объясняется это тем, что при более высоких частотах пульсаций выпрямленного напряжения, для получения требуемых характеристик (заданного или допустимого коэффициента пульсаций), необходимы сглаживающие элементы с меньшими значениями емкости (индуктивности). Вес и размеры источников питания уменьшаются с повышением частоты входного переменного напряжения.

Однополупериодный выпрямитель или четвертьмост является простейшим выпрямителем и включает в себя один вентиль (диод или тиристор).

Допущения: нагрузка чисто активная, вентиль — идеальный электрический ключ.

Напряжение со вторичной обмотки трансформатора проходит через вентиль на нагрузку только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды вентиль закрыт, всё падение напряжения происходит на вентиле, а напряжение на нагрузке Uн равно нулю.

U_S=2sin(ωt)d(ωt)=U₂ Эта величина вдвое меньше, чем в полномостовом.

Недостатки:

1)                Большая величина пульсаций

2)                Сильная нагрузка на вентиль (требуется диод с большим средним выпрямленным током)

3)                Низкий коэффициент использования габаритной мощности трансформатора (около 0,45) (не путать с КПД, который зависит от потерь в меди и потерь в стали и в однополупериодном выпрямителе почти такой же, как и в двухполупериодном).

Преимущество: экономия на количестве вентилей.

Наиболее распространены трёхфазные выпрямители по схеме Миткевича В. Ф. (на трёх диодах, предложена им в 1901 г.) и по схеме Ларионова А. Н. (на шести диодах, предложена в 1923 г.). Выпрямитель по схеме Миткевича является четвертьмостовым параллельным, по схеме Ларионова — полумостовым параллельным.

Три четвертьмоста параллельно (схема Миткевича)

 

(«Частично трёхполупериодный со средней точкой»). Площадь под интегральной кривой равна:  

Средняя ЭДС равна:

На холостом ходу и близких к нему режимах ЭДС в ветви с наибольшей на данном отрезке периода обратносмещает (закрывает) диоды в ветвях с меньшей на данном отрезке периода ЭДС и относительное эквивалентное активное сопротивление равно сопротивлению одной ветви 3r.  При увеличении нагрузки (уменьшении R_n ) появляются и увеличиваются отрезки периода на которых обе ветви работают на одну нагрузку параллельно и относительное эквивалентное активное сопротивление на этих отрезках равно  3r/2. В режиме короткого замыкания эти отрезки максимальны, но полезная мощность в этом режиме равна нулю.

Частота пульсаций равна 3f, где f — частота сети.

Три полумоста параллельно, объединённые кольцом/треугольником («треугольник-Ларионов»)

Вид ЭДС на входе (точками) и на выходе (сплошной)

В некоторой электротехнической литературе иногда не различают схемы «треугольник-Ларионов» и «звезда-Ларионов», которые имеют разные значения среднего выпрямленного напряжения, максимального тока, эквивалентного активного внутреннего сопротивления и др.

В выпрямителе «треугольник-Ларионов» потери в меди больше, чем в выпрямителе «звезда-Ларионов», поэтому на практике чаще применяется схема «звезда-Ларионов».

Кроме этого, выпрямители Ларионова А.Н. часто называют мостовыми, на самом деле они являются полумостовыми параллельными.

В некоторой литературе выпрямители Ларионова и подобные называют «полноволновыми» (англ. full wave), на самом деле полноволновыми являются выпрямитель «три последовательных моста» и подобные.

 

Площадь под интегральной кривой равна:

Средняя ЭДС равна: , то есть больше, чем в выпрямителе Миткевича.

В работе схемы «треугольник-Ларионов» есть два периода. Большой период равен 360° (). Малый период равен 60° (), и повторяется внутри большого 6 раз. Малый период состоит из двух малых полупериодов по 30° (), которые зеркальносимметричны и поэтому достаточно разобрать работу схемы на одном малом полупериоде в 30°.

На холостом ходу и в режимах близких к нему ЭДС в ветви с наибольшей на данном отрезке периода обратносмещает (закрывает) диоды с меньшими на данном отрезке периода ЭДС.

В начальный момент () ЭДС в одной из ветвей равна нулю, а ЭДС в двух других ветвях равны 0,86*Em, при этом открыты два верхних диода и один нижний диод. Эквивалентная схема представляет собой две параллельные ветви с одинаковыми ЭДС (0,86) и одинаковыми сопротивлениями по 3*r каждое, эквивалентное сопротивление обеих ветвей равно 3*r/2. Далее, на малом полупериоде, одна из двух ЭДС, равных 0,86, растёт до 1,0, другая уменьшается до 0,5, а третья растёт от 0,0 до 0,5. Один из двух открытых верхних диодов закрывается, и эквивалентная схема является параллельным включением двух ветвей, в одной из которых большая ЭДС и её сопротивление равно 3*r, в другой ветви образуется последовательное включение двух меньших ЭДС, и её сопротивление равно 2*3*r=6*r, эквивалентное сопротивление обеих ветвей равно

Частота пульсаций равна 6f, где f — частота сети. Абсолютная амплитуда пульсаций равна .

Относительная амплитуда пульсаций равна .

Ольга Александровна Косарева Шпаргалка по общей электротехники и электроники

1. ИСТОРИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ

Фундамент для возникновения и развития электроники был заложен работами физиков в XVIII и XIX вв. Первые в мире исследования электрических разрядов в воздухе были осуществлены в XVIII в. в России академиками Ломоносовым и Рихманом и независимо от них американским ученым Франклином. Важным событием явилось открытие электрической дуги академиком Петровым в 1802 г. Исследования процессов прохождения электрического тока в разреженных газах проводили в прошлом веке в Англии Крукс, Томсон, Тоунсенд, Астон, в Германии Гейслер, Гитторф, Плюккер и др. В 1873 г. Лодыгин изобрел первый в мире электровакуумный прибор – лампу накаливания. Независимо от него несколько позже такую же лампу создал и усовершенствовал американский изобретатель Эдисон. Электрическая дуга впервые была применена для целей освещения Яблочковым в 1876 г. В 1887 г. немецкий физик Герц открыл фотоэлектрический эффект.

Термоэлектронная эмиссии была открыта в 1884 г. Эдисоном. В 1901 г. Ричардсон провел детальное исследование термоэлектронной эмиссии. Первая электронно-лучевая трубка с холодным катодом была создана в 1897 г. Брауном (Германия). Использование электронных приборов в радиотехнике началось с того, что в 1904 г. английский ученый Флеминг применил двухэлектродную лампу с накаленным катодом для выпрямления высокочастотных колебаний в радиоприемнике. В 1907 г. американский инженер Ли-де-Форест ввел в лампу управления сетку, т. е. создал первый триод. В том же году профессор Петербургского технологического института Розинг предложил применить электронно-лучевую трубку для приема телевизионных изображений и в последующие годы осуществил экспериментальное подтверждение своих идей. В 1909-191 1 гг. в России Коваленков создал первые триоды для усиления дальней телефонной связи. Важное значение имело изобретение подогревного катода Чернышевым в 1921 г. В 1926 г. Хелл в США усовершенствовал лампы с экранирующей сеткой, а в 1930 г. он предложил пентод, ставший одной из наиболее распространенных ламп. В 1930 г. Кубецкий изобрел фотоэлектронные умножители, в конструкции которых значительный вклад внесли Векшин-ский и Тимофеев. Первое предложение о специальных передающих телевизионных трубках сделали независимо друг от друга в 1930–1931 гг. Константинов и Катаев. Подобные же трубки, названные иконоскопами, построил в США Зворыкин.

Изобретение таких трубок открыло новые широкие возможности для развития телевидения. Несколько позднее в 1933 г. Шмаков и Тимофеев предложили новые более чувствительные передающие трубки (супериконоскопы или суперэмитроны), позволившие вести телевизионные передачи без сильного искусственного освещения. Русский радиофизик Рожановский в 1932 г. предложил создать новые приборы с модуляцией электронного потока по скорости. По его идеям Арсеньева и Хейль в 1939 г. построили первые такие приборы для усиления и генерации колебаний СВЧ, названные пролетными клистронами. В 1940 г. Коваленко изобрел более простой отражательный клистрон, который широко используется для генерирования колебаний СВЧ.

Большое значение для техники дециметровых волн имели работы Девяткова, Данильцева, Хохлова и Гуревича, которые в 1938–1941 гг. сконструировали специальные триоды с плосковыми дисковыми электродами. По этому принципу в Германии были выпущены металлокерамические и в США ма-ячковые лампы.

2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

По сравнению с электронными лампами у полупроводниковых приборов имеются существенные достоинства:

1) малый вес и малые размеры;

2) отсутствие затрат энергии на накал;

3) более высокая надежность в работе и большой срок службы (до десятка тысяч часов);

4) большая механическая прочность (стойкость к тряске, ударам и другим видам механических перегрузок);

5) различные устройства (выпрямители, усилители, генераторы) с полупроводниковыми приборами имеют высокий КПД, так как потери энергии в самих приборах незначительны;

6) маломощные устройства с транзисторами могут работать при очень низких питающих напряжениях;

7) принципы устройства и работы полупроводниковых приборов использованы для создания нового важного направления развития электроники – полупроводниковой микроэлектроники.

Вместе с тем полупроводниковые приборы в настоящее время обладают следующими недостатками:

1) параметры и характеристики отдельных экземпляров приборов данного типа имеют значительный разброс;

2) свойства и параметры приборов сильно зависят от температуры;

3) наблюдается изменение свойств приборов с течением времени (старение);

4) их собственные шумы в ряде случаев больше, нежели у электронных приборов;

5) большинство типов транзисторов непригодно для работы на частотах выше десятков мегагерц;

6) входное сопротивление у большинства транзисторов значительно меньше, чем у электронных ламп;

7) транзисторы пока еще не изготавливают для таких больших мощностей, как электровакуумные приборы;

 работа большинства полупроводниковых приборов резко ухудшается под действием радиоактивного излучения.

Транзисторы успешно применяются в усилителях, приемниках, передатчиках, генераторах, телевизорах, измерительных приборах, импульсных схемах, электронных счетных машинах и др. Использование полупроводниковых приборов дает огромную экономию в расходовании электрической энергии источников питания и позволяет во много раз уменьшить размеры аппаратуры.

Ведутся исследования по улучшению полупроводниковых приборов по применению для них новых материалов. Созданы полупроводниковые выпрямители на токи в тысячи ампер. Применение кремния вместо германия позволяет эксплуатировать приборы при температуре до 125″ С и выше. Созданы транзисторы для частот до сотен мегагерц и более, а также новые типы полупроводниковых приборов для сверхвысоких частот. Замена электронных ламп полупроводниковыми приборами успешно осуществлена во многих радиотехнических устройствах. Промышленность выпускает большое количество полупроводниковых диодов и транзисторов различных типов.

3. ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ В ОДНОРОДНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Взаимодействие электронов с электрическим полем является основным процессом в электровакуумных и полупроводниковых приборах.

Электрон является частицей материи с отрицательным электрическим зарядом, у которого абсолютное значение e = 1,610-19Кл. Масса неподвижного электрона равна m = 9,110-28г. С возрастанием скорости движения масса электронов увеличивается. теоретически при скорости движения, равной с = 3·108м/с, масса электрона должна стать бесконечно большой. В обычных электровакуумных приборах скорость электронов не превышает 0,1с. При этом условии можно считать массу электрона постоянной, равной т.

Если разность потенциалов между электродами U, а расстояние между ними d, то напряженность поля равна: Е= U/d. Для однородного электрического поля величина Е является постоянной.

Пусть из электрода, имеющего более низкий потенциал, например из катода, вылетает электрон с кинетической энергией W0 и начальной скоростью v0, направленной вдоль силовых линий поля. Поле действует на электрон и ускоряет его движение к электроду, имеющему более высокий потенциал, например к аноду. То есть электрон притягивается к электроду с более высоким потенциалом. В данном случае поле называется ускоряющим.

В ускоряющем поле происходит увеличение кинетической энергии электрона за счет работы поля по перемещению электрона. В соответствии с законом сохранения энергии увеличение кинетической энергии электрона W-W0 равно работе поля, которая определяется произведением перемещаемого заряда е на пройденную им разность потенциалов U: W-W! = mv2/2 – mv20/2 = eU. Если начальная скорость электрона равна нулю, то W0 = mv20/2 = 0 и W=mv2/2 = eU, т. е. кинетическая энергия электрона равна работе поля. Скорость электрона в ускоряющем поле зависит от пройденной разности по’тенциалов.

Пусть направление начальной скорости электрона v0 противоположно силе F, действующей на электрон со стороны поля, т. е. электрон вылетает с некоторой начальной скоростью из электрода с более высоким потенциалом. Так как сила F направлена навстречу скорости v0, то электрон тормозится и движется прямолинейно, равномерно замедленно. Поле в этом случае называется тормозящим. Следовательно, данное поле для одних электронов является ускоряющим, а для других – тормозящим в зависимости от направления начальной скорости электрона. В тормозящем поле электрон отдает энергию полю. В обратном направлении электрон движется без начальной скорости в ускоряющем поле, которое возвращает электрону энергию, потерянную им при замедленном движении.

Если электрон влетает с начальной скоростью v0 под прямым углом к направлению силовых линий поля, то поле действует на электрон с силой F, определяемой по формуле f = eE и направленной в сторону более высокого потенциала. При отсутствии силы Рпотенци-ал совершил бы равномерное движение по инерции со скоростью v0. А под действием силы F электрон должен равноускоренно двигаться в направлении, перпендикулярном v0. Результирующее движение электрона происходит по параболе, причем электрон отклоняется в сторону положительного электрода. Если электрон не попадает на этот электрод и выйдет за пределы поля, то дальше он будет двигаться по инерции прямолинейно и равномерно. Электрон движется по некоторой параболе, причем либо попадает на один из электродов, либо выходит за пределы поля.

Электрическое поле всегда изменяет в ту или другую сторону кинетическую энергию и скорость электрона. Таким образом, между электроном и электрическим полем всегда имеется энергетическое взаимодействие, т. е. обмен энергией. Если начальная скорость электрона направлена не вдоль силовых линий, а под некоторым углом к ним, то электрическое поле еще и искривляет траекторию электрона.

4. ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ В НЕОДНОРОДНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Для неоднородных электрических полей характерна разнообразная и часто сложная структура. Существует множество не похожих друг на друга неоднородных полей, в которых напряженность от точки к точке изменяется по различным законам, а силовые линии обычно представляют собой кривые той или иной формы. Наиболее простым является часто встречающееся в электровакуумных приборах радикальное неоднородное поле, образующееся между цилиндрическими электродами. Если начальная скорость электрона, вылетевшего с поверхности внутреннего электрода, направлена вдоль силовых линий, то электрон будет двигаться прямолинейно и ускоренно по радиусу. Но по мере удаления от внутреннего электрода напряженность поля и сила, действующая на электрон, становится меньше, а значит, уменьшается и ускорение.

В более общем случае неоднородное поле имеет силовые линии в виде кривых линий. Если это поле является ускоряющимся, то электрон с начальной скоростью v0 движется по криволинейной траектории, имеющей такой же характер кривизны, как и силовые линии. На электрон действует со стороны поля сила F, направленная под углом к вектору собственной скорости электрона. Эта сила искривляет траекторию электрона и увеличивает его скорость. При этом траектория электрона не совпадает с силовой линией. Если бы электрон не обладал массой, а следовательно, и инерцией, то он двигался бы по силовой линии. Однако электрон имеет массу и стремится двигаться по инерции прямолинейно со скоростью, приобретенной за время предыдущего движения. Сила, действующая на электрон, направлена по касательной к силовой линии и в случае кривых силовых линий образует некоторый угол с вектором скорости электрона. Поэтому траектория электрона искривляется, но «отстает» в этом искривлении от силовой линии из-за инерции электрона.

В случае тормозящего неоднородного поля с кривыми силовыми линиями сила, действующая на электрон со стороны поля, также искривляет траекторию электрона и изменяет величину его скорости. Но искривление траектории получается в сторону, противоположную той, куда искривляются силовые линии, т. е. траектория электрона стремится удалиться от силовой линии. При этом скорость электрона уменьшается, так как он переходит в точки с более отрицательным потенциалом.

Рассмотрим движение потока электронов в неоднородном поле, пренебрегая для простоты взаимодействием электронов. Пусть электронный поток движется в ускоряющем неоднородном поле, которое симметрично относительно средней прямой силовой линии. В данном случае в направлении движения электронов силовые линии сходятся, т. е. напряженность поля возрастает. Условимся такое поле называть сходящимся.

Пусть в это поле влетает поток электронов, скорости которых направлены параллельно. Траектории электронов искривляются в ту же сторону, куда искривлены силовые линии. И только средний электрон движется прямолинейно вдоль средней силовой линии. В результате электроны сближаются, т. е. получается фокусировка электронного потока, напоминающая фокусировку светового потока с помощью собирающей линзы. Кроме того, увеличиваются скорости электронов.

Если силовые линии в направлении движения электронов расходятся, то поле можно условно назвать расходящимся. В нем электронный поток рассеивается, так как у электронов траектории при искривлении удаляются друг от друга. Поэтому ускоряющее расходящееся поле является для электронного потока рассеивающей линзой.

Если поле будет тормозящее сходящееся, то происходит не фокусировка, а рассеивание электронов с уменьшением их скорости. И наоборот, в тормозящем расходящемся поле получается фокусировка электронного потока.

5. ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ В ОДНОРОДНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

В некоторых электровакуумных приборах используется движение электронов в магнитном поле.

Рассмотрим случай, когда электрон влетает в однородное магнитное поле с начальной скоростью v0, направленной перпендикулярно магнитным силовым линиям. В этом случае на движущийся электрон действует так называемая сила Лоренца F, которая перпендикулярна вектору н0 и вектору напряженности магнитного поля Н. Величина силы F определяется выражением: F= ev0H.

При v0 = 0 сила Рравна нулю, т. е. на неподвижный электрон магнитное поле не действует.

Сила F искривляет траекторию электрона в дугу окружности. Поскольку сила F действует под прямым углом к скорости н0, она не совершает работы. Энергия электрона и его скорость не изменяются по величине. Происходит лишь изменение направления скорости. Известно, что движение тела по окружности (вращение) с постоянной скоростью получается благодаря действию направленной к центру центростремительной силы, которой именно и является сила F.

Направление поворота электрона в магнитном поле в соответствии с правилом левой руки удобно определяется по следующим правилам. Если смотреть в направлении магнитных силовых линий, то электрон движется по часовой стреле. Иначе говоря, поворот электрона совпадает с вращательным движением винта, который ввинчивается по направлению магнитных силовых линий.

Определим радиус r окружности, описываемой электроном. Для этого воспользуемся выражением для центростремительной силы, известным из механики: F = mv20/r. Приравняем его значению силы F = ev0H: mv20/r = ev0H. Теперь из этого уравнения можно найти радиус: r= mv0/(eH).

Чем больше скорость электрона v0, тем сильнее он стремится двигаться прямолинейно по инерции и радиус искривления траектории будет больше. С другой стороны, с увеличением Н растет сила F, искривление траектории возрастает и радиус окружности уменьшается.

Выведенная формула справедлива для движения в магнитном поле частиц с любыми массами и зарядом.

Рассмотрим зависимость rот mи e. Заряженная частица с большей массой mсильнее стремится лететь по инерции прямолинейно и искривление траектории уменьшится, т. е. rстанет больше. А чем больше заряд e, тем больше сила F и тем сильнее искривляется траектория, т. е. ее радиус становится меньше.

Выйдя за пределы магнитного поля, электрон дальше летит по инерции по прямой линии. Если же радиус траектории мал, то электрон может описывать в магнитном поле замкнутые окружности.

Таким образом, магнитное поле изменяет только направление скорости электронов, но не ее величину, т. е. между электроном и магнитным полем нет энергетического взаимодействия. По сравнению с электрическим полем действие магнитного поля на электроны является более ограниченным. Именно поэтому магнитное поле применяется для воздействия на электроны значительно реже, нежели электрическое поле.

6. ЭЛЕКТРОНЫ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ

Современной физикой доказано, что электроны в теле не могут обладать произвольными энергиями. Энергия каждого электрона может принимать лишь определенные значения, называемые уровнями энергии (или энергетическими уровнями).

Электроны, расположенные ближе к ядру атома, обладают меньшими энергиями, т. е. находятся на более низких энергетических уровнях. Чтобы удалить электрон от ядра, надо преодолеть взаимное притяжение между электроном и ядром. Для этого надо затратить некоторую энергию. Поэтому удаленные от ядра электроны обладают большими энергиями; они находятся на более высоких энергетических уровнях.

Когда электрон переходит с более высокого энергетического уровня на более низкий, выделяется определенное количество энергии, называемое квантом (или фотоном). Если атом поглощает один квант энергии, то электрон переходит с более низкого энергетического уровня на более высокий. Таким образом, энергия электронов изменяется только квантами, т. е. определенными порциями.

Распределение электронов по уровням энергии изображают схематически: по вертикали откладывают энергию Wэлектрона, а горизонтальными линиями показывают уровни энергии.

В соответствии с так называемой зоной теорией твердого тела энергетические уровни объединяются в отдельные зоны. Электроны внешней оболочки атома заполняют ряд энергетических уровней, составляющих валентную зону. Более низкие энергетические уровни входят в состав других зон, заполненных электронами, но эти зоны не играют роли в явлениях электропроводности и поэтому они не изображаются на рисунке. В металлах и полупроводниках существует большое количество электронов, находящихся на I более высоких энергетических уровнях. Эти уровни составляют зону проводимости. Электроны этой зоны, называемые электронами проводимости, совершают беспорядочное движение внутри тела, переходя от одних атомов к другим. Именно электроны проводимости обеспечивают высокую электропроводность металлов.

Атомы вещества, отдавшие электроны в зону проводимости, можно рассматривать как положительные ионы. Они располагаются в определенном порядке, образуя пространственную решетку, называемую иначе ионной, или кристаллической. Состояние этой решетки соответствует равновесию сил взаимодействия между атомами и минимальному значению общей энергии всех частиц тела. Внутри пространственной решетки происходит беспорядочное движение электронов проводимости.

Иная энергетическая структура характерна для диэлектриков. У них между зоной проводимости и валентной зоной существует запрещенная зона, соответствующая уровням энергии, на которых электроны не могут быть.

При нормальной температуре у диэлектриков в зоне проводимости имеется только очень небольшое количество электронов и поэтому диэлектрик обладает ничтожно малой проводимостью. Но при нагревании некоторые электроны валентной зоны, получая добавочную энергию, переходят в зону проводимости, и тогда диэлектрик приобретает заметную электропроводность.

Полупроводники при низких температурах являются диэлектриками, а при нормальной температуре значительное количество электронов переходит из валентной зоны в зону проводимости.

В настоящее время для изготовления полупроводниковых приборов наиболее широко используют германий и кремний, имеющие валентность, равную 4. Пространственная кристаллическая решетка германия или кремния состоит из атомов, связанных друг с другом валентными электронами. Такая связь называется ковалентной или парноэлектронной.

7. СОБСТВЕННАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ И ДЫРОЧНАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДИМОСТИ

Полупроводники представляют собой вещества, которые по своей удельной электрической проводимости занимают среднее место между проводниками и диэлектриками.

Для полупроводников характерен отрицательный температурный коэффициент электрического сопротивления. При возрастании температуры сопротивление полупроводников уменьшается, а не увеличивается, как у большинства твердых проводников. Кроме того, электрическое сопротивление полупроводников очень сильно зависит от количества примесей, а также от таких внешних воздействий, как свет, электрическое поле, ионизирующее излучение и др.

В полупроводниках существует электропроводность двух видов. Так же как и металлы, полупроводники обладают электронной электропроводностью, которая обусловлена перемещением электронов проводимости. При обычных рабочих температурах в полупроводниках всегда имеются электроны проводимости, которые очень слабо связаны с ядрами атомов и совершают беспорядочное тепловое движение между атомами кристаллической решетки. Эти электроны под действием разности потенциалов могут получить дополнительное движение в определенном направлении, которое и является электрическим током.

Полупроводники обладают также дырочной электропроводностью, которая не наблюдается в металлах. В полупроводниках кристаллическая решетка достаточно прочна. Ее ионы, т. е. атомы, лишенные одного электрона, не передвигаются, а остаются на своих местах.

Отсутствие электрона в атоме условно назвали дыркой. Этим подчеркивают, что в атоме не хватает одного электрона, т. е. образовалось свободное место. Дырки ведут себя как элементарные положительные заряды.

При дырочной электропроводности в действительности тоже перемещаются электроны, но более ограниченно, чем при электронной электропроводности. Электроны переходят из данных атомов только в соседние. Результатом этого является перемещение положительных зарядов – дырок – в направлении, противоположном движению электронов.

Электроны и дырки, которые могут перемещаться и поэтому создавать электропроводность, называют подвижными носителями заряда или просто носителями заряда. Принято говорить, что под действием теплоты происходит генерация пар носителей заряда, т. е. возникают пары: электрон проводимости – дырка проводимости.

Вследствие того что электроны и дырки проводимости совершают хаотическое тепловое движение, обязательно происходит и процесс, обратный генерации пар носителей. Электроны проводимости снова занимают свободные места в валентной зоне, т. е. объединяются с дырками. Такое исчезновение пар носителей называется рекомбинацией носителей заряда. Процессы генерации и рекомбинации пар носителей всегда происходят одновременно.

Полупроводник без примесей называют собственным полупроводником. Он обладает собственной электропроводностью, которая складывается из электронной и дырочной электропроводности. При этом, несмотря на то что количество электронов и дырок проводимости в собственном полупроводнике одинаково, электронная электропроводность преобладает, что объясняется большей подвижностью электронов по сравнению с подвижностью дырок.

8. ПРИМЕСНАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ

Если в полупроводнике имеются примеси других веществ, то дополнительно к собственной электропроводности появляется еще примесная электропроводность, которая в зависимости от рода примеси может быть электронной или дырочной. Например, германий, будучи четырехвалентным, обладает примесной электронной электропроводностью, если к нему добавлены пятивалентные сурьма и мышьяк. Их атомы взаимодействуют с атомами германия только четырьмя своими электронами, а пятый электрон отдают в зону проводимости. В результате получается некоторое количество дополнительных электронов проводимости. Примеси, у которых атомы отдают электроны, называют донорами. Атомы доноров, теряя электроны, сами заряжаются положительно.

Полупроводники с преобладанием электронной электропроводности называют электронными полупроводниками или полупроводниками п-типа.

Вещества, отбирающие электроны и создающие примесную дырочную электропроводность, называют акцепторами. Атомы акцепторов, захватывая электроны, сами заряжаются отрицательно.

Полупроводники с преобладанием дырочной электропроводности называют дырочными полупроводниками или полупроводниками р-типа.

В полупроводниковых приборах используются главным образом полупроводники, содержащие донорные или акцепторные примеси и называемые примесными. При обычных рабочих температурах в таких полупроводниках все атомы примеси участвуют в создании примесной электропроводности, т. е. каждый атом примеси либо отдает, либо захватывает один электрон.

Чтобы примесная электропроводность преобладала над собственной, концентрация атомов донорной примеси или акцепторной примеси должна превышать концентрацию собственных носителей заряда.

Носители заряда, концентрация которых в данном полупроводнике преобладает, называются основными. Ими являются электроны в полупроводнике п-типа и дырки в полупроводнике р-типа. Неосновными называют носители заряда, концентрация которых меньше, чем концентрация основных носителей. Концентрация неосновных носителей в примесном полупроводнике уменьшается во столько раз, во сколько увеличивается концентрация основных носителей.

Если в германии было определенное число электронов, а после добавления донорной примеси концентрация электронов возросла в 1000 раз, то концентрация неосновных носителей(дырок)уменьшится в 1000 раз, т. е. будет в миллион раз меньше концентрации основных носителей. Это объясняется тем, что при увеличении в 1000 раз концентрации электронов проводимости, полученных от донорных атомов, нижние энергетические уровни зоны проводимости оказываются занятыми и переход электронов из валентной зоны возможен только на более высокие уровни зоны проводимости. Но для такого перехода электроны должны иметь большую энергию и поэтому значительно меньшее число электронов может его осуществить. Соответственно значительно уменьшается число дырок проводимости в валентной зоне.

Таким образом, ничтожно малое количество примеси существенно изменяет характер электропроводности и величину проводимости полупроводника. Получение полупроводников с таким малым и строго дозированным содержанием нужной примеси является весьма сложным процессом. При этом исходный полупроводник, к которому добавляется примесь, должен быть очень чистым.

9. ДИФФУЗИЯ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

В полупроводниках, помимо тока проводимости, может быть еще диффузионный ток, причиной возникновения которого является не разность потенциалов, а разность концентраций носителей. Выясним сущность этого тока.

Если концентрация носителей заряда распределена равномерно по полупроводнику, то она является равновесной. Под влиянием каких-либо внешних воздействий в разных частях полупроводника концентрация может стать неодинаковой, т. е. неравновесной. Например, если часть полупроводника подвергнуть действию излучения, то в ней усилится процесс генерации пар носителей и возникнет дополнительная концентрация носителей, называемая избыточной.

Так как носители имеют собственную кинетическую энергию, то они всегда стремятся переходить из мест с более высокой концентрацией в места с меньшей концентрацией,т. е. стремятся к выравниванию концентрации.

Явление диффузии наблюдается для многих частиц вещества, а не только для подвижных носителей заряда. Всегда причиной диффузии является неодинаковость концентрации частиц, а сама диффузия совершается за счет собственной энергии теплового движения частиц.

Диффузное движение подвижных носителей заряда (электронов и дырок) представляет собой диффузный ток /. Этот ток так же, как ток проводимости, может быть электронным или дырочным. Плотности этих токов определяются следующими формулами: i = eDn ?n /?x и ip=– eDp?p /?x, где величины ?n/?x и ?с/?x являются так называемыми градиентами концентрации, а Dnи Dp– коэффициенты диффузии. Градиент концентрации характеризует, насколько резко меняется концентрация вдоль расстояния х, т. е. каково изменение концентрации nили pна единицу длины. Если разности концентрации нет, то ?n=0 или ?p =0 и никакого тока диффузии не возникает. А чем больше изменение концентрации ?n или ?p на данном расстоянии ?x, тем больше ток диффузии.

Коэффициент диффузии характеризует интенсивность процесса диффузии. Он пропорционален подвижности носителей, различен для разных веществ и зависит от температуры. Коэффициент диффузии для электронов всегда больше, чем для дырок.

Знак «минус» в правой части формулы для плотности дырочного диффузионного тока поставлен потому, что дырочный ток направлен в сторону уменьшения концентрации дырок.

Если за счет какого-то внешнего воздействия в некоторой части полупроводника создана избыточная концентрация носителей, а затем внешнее воздействие прекратилось, то избыточные носители будут рекомбинировать и распространяться путем диффузии в другие части полупроводника.

Величина, характеризующая процесс убывания избыточной концентрации во времени, называется временем жизни неравновесных носителей.

Рекомбинация неравновесных носителей происходит в объеме полупроводника и на его поверхности и сильно зависит от примесей, а также от состояния поверхности.

При диффузном распространении неравновесных носителей, например электронов, вдоль полупроводника концентрация их вследствие рекомбинации также убывает с расстоянием.

10. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОТСУТСТВИИ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

Область на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности называется электронно-дырочным, или р-п-переходом.

Электронно-дырочный переход обладает свойством несимметричной проводимости, т. е. имеет нелинейное сопротивление. Работа большинства полупроводниковых приборов, применяемых в радиоэлектронике, основана на использовании свойств одного или нескольких р-п-переходов. Рассмотрим физические процессы в таком переходе.

Пусть внешнее напряжение на переходе отсутствует. Так как носители заряда в каждом полупроводнике совершают беспорядочное тепловое движение, т. е. имеются собственные скорости, то происходит их диффузия (проникновение) из одного полупроводника в другой. Носители перемещаются оттуда, где их концентрация велика, туда, где концентрация мала. Таким образом, из полупроводника п-типа в полупроводник р-типа диффундируют электроны, а в обратном направлении из полупроводника р-типа в полупроводник п-типа диффундируют дырки.

В результате диффузии носителей по обе стороны границы раздела двух полупроводников с различным типом электропроводности создаются объемные заряды различных знаков. В области п возникает положительный объемный заряд. Он образован главным образом положительно заряженными атомами до-норной примеси и в небольшой степени пришедшими в эту область дырками. Подобно этому в области р возникает отрицательный объемный заряд, образованный отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси и отчасти пришедшими сюда электронами.

Между образовавшимися объемными зарядами возникает так называемая контактная разность потенциалов и электрическое поле.

В р-п-переходе возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузионному переходу носителей.

Чем больше концентрация примесей, тем выше концентрация основных носителей и тем большее количество их диффундирует через границу. Плотность объемных зарядов возрастает и увеличивается контактная разность потенциалов, т. е. высота потенциального барьера. При этом толщина р-п-перехода уменьшается.

Одновременно с диффузным перемещением основных носителей через границу происходит и обратное перемещение носителей под действием электрического поля контактной разности потенциалов. Это поле перемещает дырки из п-области обратно в р-область и электроны из р-области обратно в п-область. При определенной температуре р-п-переход находится в состоянии динамического равновесия. Каждую секунду через границу в противоположных направлениях диффундирует определенное количество электронов и дырок, а под действием поля такое же их количество дрейфует в обратном направлении.

Перемещение носителей за счет диффузии является диффузионным током, а движение носителей под действием поля представляет собой ток проводимости. При динамическом равновесии перехода эти токи равны и противоположны по направлению. Поэтому полный ток через переход равен нулю, что и должно быть при отсутствии внешнего напряжения. Каждый из токов имеет электронную и дырочную составляющие. Величины этих составляющих различны, так как они зависят от концентрации и подвижности носителей. Высота потенциального барьера всегда автоматически устанавливается именно такой, при которой наступает равновесие, т. е. диффузионный ток и ток проводимости взаимно компенсируют друг друга.

11. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ДЕЙСТВИИ ПРЯМОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Пусть источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к полупроводнику р-типа, а отрицательным полюсом – к полупроводнику п-типа.

Электрическое поле, создаваемое в р-п-переходе прямым напряжением, действует навстречу полю контактной разности потенциалов. Результирующее поле становится слабее и разность потенциалов в переходе уменьшается, т. е. высота потенциального барьера понижается, возрастает диффузионный ток. Ведь пониженный барьер может преодолеть большее количество носителей. Ток проводимости почти не изменяется, так как он зависит главным образом только от числа неосновных носителей, попадающих за счет своих тепловых скоростей в область р-п-перехода из объемов п– и р-областей.

При отсутствии внешнего напряжения диффузный ток и ток проводимости равны и взаимно компенсируют друг друга. При прямом напряжении iдиф> iпров и поэтому полный ток через переход, т. е. прямой ток, уже не равен нулю: iпр = iдиф – iпров> 0.

Если барьер значительно понижен, то iдиф»iпров и можно считать, что iпр ~ iдиф, т. е. прямой ток в переходе является диффузионным.

Явление введения носителей заряда через понизившийся потенциальный барьер в область, где эти носители являются неосновными, называется инжек-цией носителей заряда. Область полупроводникового прибора, из которой инжектируются носители, называется эмиттерной областью, или эмиттером. А область, в которую инжектируются неосновные для этой области носители заряда, называется базовой областью, или базой. Таким образом, если рассматривать инжекцию электронов, то п-область является эмиттером, а р-область – базой. Для инжекции дырок, наоборот, эмиттером служит р-область, а п-об-ласть является базой.

В полупроводниковых приборах обычно концентрация примесей, а следовательно, и основных носителей в п– и р-областях весьма различна. Поэтому инжекция из области с более высокой концентрацией основных носителей резко преобладает. Соответственно этой преобладающей инжекции и дают название эмиттер и база. Например, если пп»рр, то инжек-ция электронов из п-области в р-область значительно превосходит инжекцию дырок в обратном направлении. В данном случае эмиттером считают п-область, а базой р-область, так как инжекцией дырок можно пренебречь.

При прямом напряжении не только понижается потенциальный барьер, но и уменьшается толщина запирающего слоя. Это приводит к уменьшению сопротивления запирающего слоя. Его сопротивление в прямом направлении получается малым.

Поскольку высота барьера при отсутствии внешнего напряжения составляет несколько десятых долей вольта, то для значительного понижения барьера и существенного уменьшения сопротивления запирающего слоя достаточно подвести к р-п-переходу прямое напряжение всего лишь порядка десятых долей вольта. Поэтому значительный прямой ток можно получить при очень небольшом прямом напряжении.

Очевидно, что при некотором прямом напряжении можно вообще уничтожить потенциальный барьер в р-п-переходе. Тогда сопротивление перехода, т. е. запирающего слоя, станет близко к нулю и им можно будет пренебречь. Прямой ток в этом случае возрастет и будет зависеть от сопротивления объемов пи р-областей. Теперь уже этими сопротивлениями пренебрегать нельзя, так как именно они остаются в цепи и определяют величину тока.

12. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОБРАТНОМ НАПРЯЖЕНИИ

Пусть источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к области п, а отрицательным – к области р. Под действием такого обратного напряжения через проход протекает очень небольшой обратный ток, что объясняется следующим образом. Поле, создаваемое обратным напряжением, складывается с полем контактной разности потенциалов. Результирующее поле усиливается. Уже при небольшом повышении барьера диффузионное перемещение основных носителей через переход прекращается, так как собственные скорости носителей недостаточны для преодоления барьера. А ток проводимости остается почти неизменным, поскольку он определяется главным образом числом неосновных носителей, попадающих в область р-п-перехода из объемов п-и р-областей. Выведение неосновных носителей через р-п-переход ускоряющим электрическим полем, созданным внешним напряжением, называют экстракцией носителей заряда.

Таким образом, обратный ток представляет собой практически ток проводимости, образованный перемещением неосновных носителей. Обратный ток получается очень небольшим, так как неосновных носителей мало и, кроме того, сопротивление запирающего слоя при обратном напряжении очень велико. Действительно, при повышении обратного напряжения поле в области перехода становится сильнее и под действием этого поля больше основных носителей «выталкивается» из пограничных слоев в глубь пи р– областей. Поэтому с увеличением обратного напряжения увеличивается не только высота потенциального барьера, но и толщина запирающего слоя. Этот слой еще больше обедняется носителями, и его сопротивление значительно возрастает.

Уже при сравнительно небольшом обратном напряжении обратный ток достигает почти постоянной величины, которую можно назвать током насыщения. Это объясняется тем, что количество неосновных носителей ограничено. С повышением температуры концентрация их возрастает и обратный ток увеличивается, а обратное сопротивление уменьшается. Рассмотрим несколько подробнее, как устанавливается обратный ток при включении обратного напряжения. Сначала возникает переходный процесс, связанный с движением основных носителей. Электроны в п-области движутся по направлению к положительному полюсу источника, т. е. удаляются от р-п-пере-хода. А в р-области, удаляясь от р-п-перехода, движутся дырки. У отрицательного электрода они рекомбинируют с электронами, которые приходят из провода, соединяющего этот электрод с отрицательным полюсом источника.

Поскольку из п-области уходят электроны, она заряжается положительно, так как в ней остаются положительно заряженные атомы донорной примеси. Подобно этому р-область заряжается отрицательно, ее дырки заполняются приходящими электронами и в ней остаются отрицательно заряженные атомы акцепторной примеси.

Рассмотренное движение основных носителей в противоположные стороны продолжается лишь малый промежуток времени. Такой кратковременный ток подобен зарядному току конденсатора. По обе стороны р-п-перехода возникают два разноименных объемных заряда, и вся система становится аналогичной заряженному конденсатору с плохим диэлектриком, в котором имеется ток утечки (его роль играет обратный ток). Но ток утечки конденсатора в соответствии с законом Ома пропорционален приложенному напряжению, а обратный ток р-п-перехода сравнительно мало зависит от напряжения.

13. ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

Для любого электрического прибора важна зависимость между током через прибор и приложенным напряжением. Зная эту зависимость, можно определить ток при заданном напряжении или, наоборот, напряжение, соответствующее заданному току.

Если сопротивление прибора является постоянным, не зависящим от тока или напряжения, выражается законом Ома: i= u/R, или i= Gu.

Ток прямо пропорционален напряжению. Коэффициентом пропорциональности является проводимость G =1/R.

График зависимости между током и напряжением называется «вольт-амперная характеристика» данного прибора. Для прибора, подчиняющегося закону Ома, характеристикой является прямая линия, проходящая через начало координат.

Приборы, подчиняющиеся закону Ома и имеющие вольт-амперную характеристику в виде прямой линии, проходящей через начало координат, называются линейными.

Существуют также приборы, у которых сопротивление не является постоянным, а зависит от напряжения или тока. Для таких приборов связь между током и напряжением выражается не законом Ома, а более сложным образом, и вольт-амперная характеристика не является прямой линией. Эти приборы называются нелинейными.

Электронно-дырочный переход по существу представляет собой полупроводниковый диод.

Обратный ток при увеличении обратного напряжения сначала быстро возрастает. Это вызвано тем, что уже при небольшом обратном напряжении за счет повышения потенциального барьера в переходе резко снижается диффузионный ток, который направлен навстречу току проводимости. Следовательно, полный ток резко увеличивается. Однако при дальнейшем повышении обратного напряжения ток растет незначительно, т. е. наступает явление, напоминающее насыщение. Рост тока происходит вследствие нагрева перехода током, за счет утечки по поверхности, а также за счет лавинного размножения носителей заряда, т. е. увеличения числа носителей заряда в результате ударной ионизации.

Явление это состоит в том, что при более высоком обратном напряжении электроны приобретают большую скорость и, ударяясь в атомы кристаллической решетки, выбивают из них новые электроны, которые в свою очередь разгоняются полем и также выбивают из атомов электроны. Такой процесс усиливается с повышением напряжения.

При некотором значении обратного напряжения возникает пробой p-n-перехода, при котором обратный ток резко возрастает и сопротивление запирающего слоя резко уменьшается. Следует различать электрический и тепловой пробой p-n-перехода. Электрический пробой является обратимым, если при этом пробое в переходе не происходит необратимых изменений (разрушений структуры вещества). Поэтому работа диода в режиме электрического пробоя допустима. Могут существовать два вида электрического пробоя, которые нередко сопутствуют друг другу: лавинный и туннельный.

Лавинный пробой объясняется рассмотренным лавинным размножением носителей за счет ударной ионизации. Этот пробой характерен для p-n-перехо-дов большой толщины, получающихся при сравнительно малой концентрации примесей в полупроводниках. Пробивное напряжение для лавинного пробоя обычно составляет десятки или сотни вольт.

Туннельный пробой объясняется весьма интересным явлением туннельного эффекта. Сущность его состоит в том, что при достаточно сильном поле с напряженностью более 105В/см, действующем в p-з-переходе малой толщины, некоторые электроны проникают через переход без изменения своей энергии. Тонкие переходы, в которых возможен туннельный эффект, получаются при высокой концентрации примесей. Пробивное напряжение, соответствующее туннельному пробою, обычно не превышает единиц вольт.

14. ЕМКОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

Р-п-переход при обратном напряжении аналогичен конденсатору со значительной утечкой в диэлектрике. Запирающий слой имеет очень высокое сопротивление и по обе его стороны расположены два разноименных объемных заряда, созданных ионизированными атомами донорной и акцепторной примеси. Поэтому p-n-переход обладает емкостью, подобной емкости конденсатора с двумя обкладками. Эту емкость называют барьерной емкостью.

Барьерная емкость, как и емкость обычных конденсаторов, возрастает при увеличении площади p-n-перехода и диэлектрической проницаемости вещества полупроводника и уменьшении толщины запирающего слоя. Особенность барьерной емкости состоит в том, что она является нелинейной емкостью, т. е. изменяется при изменении напряжения на переходе. Если обратное напряжение возрастает, то толщина запирающего слоя увеличивается. А так как этот слой играет роль диэлектрика, то барьерная емкость уменьшается.

Барьерная емкость вредно влияет на выпрямление переменного тока, так как она шунтирует диод и через нее на более высоких частотах проходит переменный ток. Но вместе с тем имеется и полезное применение барьерной емкости. Специальные диоды, называемые варикапами, используют в качестве конденсаторов переменной емкости для настройки колебательных контуров, а также в некоторых схемах, работа которых основана на применении нелинейной емкости. В отличие от обычных конденсаторов переменной емкости, в которых изменение емкости происходит механическим путем, в варикапах это изменение достигается регулировкой величины обратного напряжения. Способ настройки колебательных контуров с помощью варикапов называют электронной настройкой.

При прямом напряжении диод, кроме барьерной емкости, обладает так называемой диффузионной емкостью, которая также нелинейна и возрастает при увеличении прямого напряжения. Диффузионная емкость характеризует накопление подвижных носителей заряда в п– и p-областях при наличии прямого напряжения на переходе. Она существует только при прямом напряжении, когда носители заряда в большом количестве диффундируют через пониженный потенциальный барьер и, не успев рекомбинировать, накапливаются в п– и p-областях. Так, например, если в некотором диоде p-область является эмиттером, а п-область – базой, то при подаче прямого напряжения из p-области в п-область через переход устремляется большое количество дырок и, следовательно, в п-области появляется положительный заряд. Одновременно под действием источника прямого напряжения из провода внешней цепи в п-область входят электроны и в этой области возникает отрицательный заряд. Дырки и электроны в п-области не могут мгновенно рекомбинировать. Поэтому каждому значению прямого напряжения соответствует определенная величина двух равных разноименных зарядов, накопленных в п-области за счет диффузии носителей через переход.

Диффузионная емкость значительно больше барьерной, но она в большинстве случаев не оказывает существенного влияния на работу диода и использовать ее также не удается, так как она всегда зашунти-рована малым прямым сопротивлением самого диода. Практическое значение, как правило, имеет только барьерная емкость.

15. ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ ДЛЯ ВЫПРЯМЛЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Выпрямление переменного тока является одним из основных процессов в радиоэлектронике. В выпрямительном устройстве энергия переменного тока преобразуется в энергию постоянного тока.

Полупроводниковые диоды хорошо проводят ток в прямом направлении и плохо проводят в обратном, и, следовательно, основным назначением большинства диодов является выпрямление переменного тока.

В выпрямителях для питания радиоэлектронной аппаратуры генератором переменной ЭДС обычно служит силовой трансформатор, включенный в электрическую сеть. Вместо трансформатора иногда применяется автотрансформатор. В некоторых случаях выпрямитель питается от сети трансформатора. Роль нагрузочного резистора, т. е. потребителя энергии постоянного тока, в практических схемах играют те цепи или приборы, которые питаются выпрямителем. При выпрямлении токов высокой частоты, например в детекторных каскадах радиоприемников, генератором переменной ЭДС служит трансформатор высокой частоты или резонансный колебательный контур, а специально включенный нагрузочный резистор имеет большое сопротивление.

Применение конденсатора удваивает обратное напряжение по сравнению с его величиной при отсутствии конденсатора. Весьма опасным является короткое замыкание нагрузки, которое, в частности, получается при пробое конденсатора сглаживающего фильтра. Тогда все напряжение источника будет приложено к диоду и ток станет недопустимым. Происходит тепловой пробой диода.

Достоинством полупроводниковых диодов по сравнению с вакуумными является не только отсутствие накала катода, но и малое падение напряжения на диоде при прямом токе. Независимо от величины тока, т. е. от мощности, на которую рассчитан полупроводниковый диод, прямое напряжение на нем составляет десятые доли вольта или немногим больше 1 В. Поэтому КПД выпрямителей с полупроводниковыми диодами выше, чем с вакуумными диодами. При выпрямлении более высоких напряжений КПД повышается, так как в этом случае потеря напряжения около 1В на самом диоде не имеет существенного значения.

Таким образом, полупроводниковые диоды по сравнению с вакуумными более экономичны и выделяют при работе меньше тепла, создающего вредное нагревание других деталей, расположенных вблизи. Также полупроводниковые диоды имеют очень большой срок службы. Но их недостатком является сравнительно невысокое предельное обратное напряжение не более сотен вольт, а у высоковольтных кенотронов оно может быть до десятков киловольт.

Полупроводниковые диоды могут применяться в любых выпрямительных схемах. Если сглаживающий фильтр выпрямителя начинается с конденсатора большой емкости, то при включении переменного напряжения на заряд конденсатора происходит импульс тока, часто превышающий допустимое значение прямого тока данного диода. Поэтому для уменьшения такого тока иногда последовательно с диодом включают ограничительный резистор с сопротивлением порядка единиц или десятков Ом.

В полупроводниковых диодах, работающих в выпрямительном режиме, при перемене полярности напряжения могут наблюдаться значительные импульсы обратного тока. Эти импульсы возникают по двум причинам. Во-первых, под влиянием обратного напряжения получается импульс тока, заряжающего барьерную емкость р-п-перехода. Чем больше эта емкость, тем больше такой импульс. Во-вторых, при обратном напряжении происходит рассасывание неосновных носителей, накопившихся в п– и р-областях. Практически вследствие неодинаковости концентраций примесей в этих областях главную роль играет больший заряд, накопившийся в одной из областей.

16. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТРАНЗИСТОРАХ

В числе электропреобразовательных полупроводниковых приборов, т. е. приборов, служащих для преобразования электрических величин, важное место занимают транзисторы. Они представляют собой полупроводниковые приборы, пригодные для усиления мощности и имеющие три вывода или больше. Транзисторы могут иметь разное число переходов между областями с различной электропроводностью. Наиболее распространены транзисторы с двумя р-п-пе-реходами. Эти транзисторы называют биполярными, так как их работа основана на использовании носителей заряда обоих знаков. Первые транзисторы были точечными, но они работали недостаточно устойчиво. В настоящее время изготавливаются и применяются исключительно плоскостные транзисторы.

Плоскостной биполярный транзистор представляет собой пластинку германия или другого полупроводника, в которой созданы три области с различной электропроводностью.

Средняя область транзистора называется базой, одна крайняя область – эмиттером, другая – коллектором. Таким образом, в транзисторе имеются два р-п-перехода – эмиттерный между эмиттером и базой и коллекторный между базой и коллектором. Расстояние между ними должно быть очень малым, не более единиц микрон, т. е. область базы должна быть очень тонкой. Это является важнейшим условием для хорошей работы транзистора. Кроме того, обычно концентрация примесей в базе значительно меньше, чем в коллекторе и эмиттере. С помощью металлических электродов от базы, эмиттера и коллектора сделаны выводы. (

Транзистор может работать в трех режимах в зависимости от того, каковы напряжения на его переходах. Работа в активном режиме получается в случае, если на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное. Режим отсечки или запирания достигается подачей обратного напряжения на оба перехода. Если на обоих переходах напряжение прямое, то транзистор работает в режиме насыщения. Активный режим является основным. В частности, он используется в большинстве усилителей и генераторов.

В практических схемах с транзисторами обычно образуются две цепи. Входная, или управляющая, цепь служит для управления работой транзистора. В выходной, или управляемой, цепи получаются усиленные колебания. Источник усиливаемых колебаний включается во входную цепь, а в выходную цепь включают нагрузку.

Зависимости между токами и напряжениями в транзисторах выражаются их статическими характеристиками, т. е. характеристиками, снятыми на постоянном токе и при отсутствии нагрузки в выходной цепи.

Входные и выходные характеристики транзистора имеют тесную связь с вольт-амперной характеристикой полупроводникового диода. Входные характеристики относятся к эмиттерному переходу, который работает при прямом напряжении. Поэтому они аналогичны характеристике обратного тока диода. Выходные характеристики подобны характеристике обратного тока диода, так как они отображают свойства коллекторного перехода, работающего при обратном напряжении.

Существуют еще характеристики обратной связи, которые показывают, как изменяется напряжение на входе транзистора под влиянием изменения выходного напряжения при условии, что входной ток постоянен.

17. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТРАНЗИСТОРЕ

Рассмотрим, как работает транзистор в статическом режиме без нагрузки, когда включены только источники постоянных питающих напряжений. Полярность их такова, что на эмиттерном переходе напряжение прямое, а на коллекторном – обратное. Поэтому сопротивление эмиттерного перехода мало и для получения нормального тока в этом переходе достаточен источник с напряжением порядка десятых долей вольта. Сопротивление коллекторного перехода велико и напряжение обычно составляет единицы или десятки вольт.

Принцип работы транзистора заключается в том, что прямое напряжение эмиттерного перехода существенно влияет на ток коллектора: чем больше напряжение, тем больше токи эмиттера и коллектора. При этом изменение тока коллектора лишь незначительно меньше изменений тока эмиттера. Таким образом, входное напряжение управляет током коллектора. Усиление электрических колебаний с помощью транзистора основано именно на этом явлении.

Физические процессы в транзисторе происходят следующим образом. При увеличении прямого входного напряжения понижается потенциальный барьер в эмиттерном переходе и соответственно возрастает ток через этот переход – ток эмиттера. Электроны этого тока инжектируются из эмиттера в базу и благодаря явлению диффузии проникают сквозь базу в область коллекторного перехода, увеличивая ток коллектора. Так как коллекторный переход работает при обратном напряжении, то в области этого перехода получаются объемные заряды. Между ними возникает электрическое поле. Оно способствует продвижению через коллекторный переход электронов, пришедших сюда из эмиттера, т. е. втягивает электроны в область коллекторного перехода.

Если толщина базы достаточно мала и концентрация дырок в ней невелика, то большинство электронов, пройдя через базу, не успевает рекомбинировать с дырками базы и достигает коллекторного перехода. Лишь небольшая часть электронов рекомбинирует в базе с дырками. В результате этой рекомбинации возникает ток базы, протекающий в проводе базы. Вследствие рекомбинации какое-то количество дырок каждую секунду исчезает, но такое же количество новых дырок каждую секунду возникает за счет того, что из базы уходит в направлении к полюсу источника такое же количество электронов. В базе не может происходить накопления какого-то большого количества электронов. Ток базы является бесполезным и даже вредным. Желательно, чтобы ток базы был как можно меньше. Для этого базу делают очень тонкой и уменьшают в ней концентрацию примесей, которая определяет концентрацию дырок. При выполнении этих условий меньшее количество электронов будет рекомбинировать в базе с дырками.

Данное одному из электродов название «эмиттер» подчеркивает, что электроны как бы эмитируют из этого электрода в базу. На самом же деле происходит не эмиссия, а инжекция электронов из эмиттера в базу. Применение этого термина необходимо для того, чтобы отличать данное явление от электронной эмиссии, в результате которой получаются электроны в вакууме или разреженном газе.

Эмиттером следует называть область транзистора, назначением которой является инжекция носителей заряда в базу. Коллектором называют область, назначением которой является экстракция носителей заряда из базы. А базой является область, в которую инжектируются эмиттером неосновные для этой области носители заряда.

Эмиттер и коллектор можно поменять местами. Но в транзисторах, как правило, коллекторный переход делается со значительно большей площадью, нежели эмиттерный переход, так как мощность, рассеиваемая в коллекторном переходе, гораздо больше, чем в эмиттерном.

18. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРОВ

Применяют три основные схемы включения транзисторов в усилительные или иные каскады. В этих схемах один из электродов транзистора является общей точкой входа и выхода каскада.

Основные схемы включения транзисторов называются соответственно схемами с общим эмиттером, общей базой и общим коллектором.

Схема с общим эмиттером является наиболее распространенной, так как она дает наибольшее усиление по мощности.

Коэффициент усиления по току такого каскада представляет собой отношение амплитуд выходного или входного переменного токов, т. е. переменных составляющих токов коллектора и базы. Поскольку ток коллектора в десятки раз больше тока базы, то коэффициент усиления по току получается порядка десятков.

Усилительные свойства транзистора при включении его по схеме с общим эмиттером характеризует один из главных его параметров – статический коэффициент усиления по току для схемы с общим эмиттером. Поскольку он должен характеризовать только сам транзистор, то его определяют в режиме без нагрузки, т. е. при постоянном напряжении «коллектор – эмиттер».

Коэффициент усиления каскада по напряжению равен отношению амплитуд выходного и входного переменных напряжений. Входным является напряжение «база – эмиттер», а выходным – переменное напряжение на резисторе нагрузки или между коллектором и эмиттером.

Схема с общей базой дает значительно меньшее усиление мощности и имеет еще меньшее входное сопротивление, чем схема с общим эмиттером, все же ее применяют довольно часто, так как по своим частотным и температурным свойствам она значительно лучше схемы с общим эмиттером.

Коэффициент усиления по току каскада с общей базой всегда несколько меньше единицы. Это вытекает из того, что ток коллектора всегда лишь немного меньше тока эмиттера.

Важнейшим параметром транзисторов является статический коэффициент усиления по току для схемы с общей базой. Он определяется для режима без нагрузки, т. е. при постоянном напряжении «коллектор – база».

Для схемы с общей базой сдвиг фаз между выходным и входным напряжением отсутствует, т. е. фаза напряжения при усилении не переворачивается.

Схема с общим коллектором. В ней действительно коллектор является общей точкой входа и выхода, поскольку источники питания всегда шунтированы конденсаторами большой емкости и для переменного тока могут считаться коротким замыканием. Особенность этой схемы в том, что входное напряжение полностью передается обратно на вход, т. е. имеется очень сильная отрицательная обратная связь. Входное напряжение равно сумме переменного напряжения «база – эмиттер» и выходного напряжения.

Коэффициент усиления по току каскада с общим коллектором почти такой же, как и в схеме с общим эмиттером, т. е. имеет величину порядка десятков. Коэффициент усиления по напряжению близок к единице, но всегда меньше ее.

Выходное напряжение совпадает по фазе с входным и почти равно ему по величине. То есть выходное напряжение повторяет входное.

19. ЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА ТРАНЗИСТОРОВ

С повышением частоты усиление, даваемое транзисторами, снижается. Имеются две главные причины этого явления. Во-первых, на более высоких частотах вредно влияет емкость коллекторного перехода. На низких частотах сопротивление емкости очень большое, коллекторное сопротивление также очень велико и можно считать, что весь ток идет в нагрузочный резистор. Но на некоторой высокой частоте сопротивление емкости становится сравнительно малым и в нее ответвляется заметная часть тока, создаваемого генератором, а ток в резисторе соответственно уменьшается. Следовательно, уменьшаются выходное напряжение и выходная мощность.

Емкость эмиттерного перехода также уменьшает свое сопротивление с повышением частоты, но она всегда шунтирована малым сопротивлением эмиттер-ного перехода и поэтому ее вредное влияние может проявляться только на очень высоких частотах. Практически на менее высоких частотах емкость, которая шунтирована очень большим сопротивлением коллекторного перехода, уже настолько сильно влияет, что работа транзистора, на который могла бы влиять емкость, становится нецелесообразной. Поэтому влияние емкости в большинстве случаев можно не рассматривать.

Второй причиной снижения усиления на более высоких частотах является отставание по фазе переменного тока коллектора от переменного тока эмиттера. Оно вызвано инерционностью процесса перемещения носителей через базу от эмиттерного перехода к коллекторному, а также инерционностью процессов накопления и рассасывания заряда в базе. Носители, например электроны в транзисторе типа n-p-n, совершают в базе диффузионное движение и поэтому скорость их не очень велика. Время пробега носителей через базу в обычных транзисторах получается порядка 10-7с, т. е. 0,1 мкс и менее. Конечно, это время очень небольшое, но при частотах порядка единиц и десятков мегагерц и выше оно вызывает заметный сдвиг фаз между токами коллектора и эмиттера. За счет такого сдвига фаз на высоких частотах возрастает переменный ток базы, а от этого снижается коэффициент усиления по току.

Обозначим коэффициент усиления по току для схемы с общим эмиттером в, а коэффициент усиления по току для схемы с общей базой б.

При повышении частоты в уменьшается значительно сильнее, чем б. Коэффициент б снижается от влияния емкости, а на величину в влияет еще и сдвиг фаз между токами коллектора и эмиттера за счет времени пробега носителей через базу. Схема с общим эмиттером по сравнению со схемой с общей базой обладает значительно худшими частотными свойствами.

Принято считать предельно допустимым уменьшение величин б и в на 30 % по сравнению с их значениями на низких частотах.

Те частоты, на которых получается такое снижение усиления, называют граничными, или предельными, частотами усиления для схем с общей базой и общим эмиттером.

Помимо предельных частот усиления, транзистор характеризуется еще максимальной частотой генерации, при которой коэффициент усиления по мощности каскада снижается до 1.

На высоких частотах происходит не только изменение величин б и в. Вследствие влияния емкостей переходов и времени пробега носителей через базу, а также процессов накопления и рассасывания зарядов в базе собственные параметры транзистора на высоких частотах изменяют свою величину и уже не являются чисто активными сопротивлениями. Изменяются также и все другие параметры.

Более высокие предельные частоты могут быть получены при использовании полупроводников, у которых подвижность носителей выше.

20. ИМПУЛЬСНЫЙ РЕЖИМ ТРАНЗИСТОРОВ

Транзисторы, как и полупроводниковые диоды, применяются в различных импульсных устройствах. Работа транзисторов в импульсном режиме, иначе называемом ключевым или режимом переключения, имеет ряд особенностей.

Рассмотрим импульсный режим транзистора с помощью его выходных характеристик для схемы с общим эмиттером. Пусть в цепь коллектора включен резистор нагрузки. Обычно до поступления на вход транзистора импульса входного тока или входного напряжения транзистор находится в запертом состоянии. В цепи коллектора проходит малый ток, и, следовательно, эту цепь приближенно можно считать разомкнутой. Напряжение источника почти все полностью приложено к транзистору.

Если на вход подан импульс тока с максимальным значением, то транзистор переходит в область насыщения. Получается импульс тока коллектора с максимальным значением. Иногда его называют током насыщения. В этом режиме транзистор выполняет роль замкнутого ключа и почти все напряжение источника падает на резистор, а на транзисторе имеется лишь очень небольшое остаточное напряжение порядка десятка долей вольта, обычно называемое напряжением насыщения.

Если импульс входного тока будет меньше максимального значения, то импульс тока коллектора тоже уменьшится. Но зато увеличение импульса тока базы сверх максимального значения уже не дает возрастания импульса выходного тока.

Импульсный режим характеризуется также коэффициентом усиления по току, который в отличие от в определяется не через приращение токов, а как отношение токов, соответствующих режиму насыщения.

Иначе говоря, в является параметром, характеризующим усиление малых сигналов, а коэффициент усиления по току относится к усилению больших сигналов, в частности импульсов, и по величине несколько отличается от в.

Параметром импульсного режима транзистора служит также его сопротивление насыщения. Величина сопротивления насыщения у транзисторов, предназначенных для импульсной работы, обычно бывает порядка единиц, иногда десятков Ом.

Аналогично рассмотренной схеме с общим эмиттером работает в импульсном режиме и схема с общей базой.

Если длительность входного импульса во много раз больше времени переходных процессов накопления и рассасывания зарядов в базе транзистора, то импульс выходного тока будет иметь почти такую же длительность и форму, как входной импульс. Но при коротких импульсах может наблюдаться значительное искажение формы импульса выходного тока и увеличение его длительности.

Постепенное увеличение тока связано с процессом накопления носителей в базе. Кроме того, носители, инжектированные в базу в начале импульса входного тока, имеют разные скорости своего диффузионного движения и не все сразу достигают коллектора. После окончания входного импульса за счет процесса рассасывания заряда, накопившегося в базе, ток продолжается некоторое время, а затем постепенно спадает в течение времени спада. Следовательно, замедляется процесс включения и выключения коллекторной цепи, затягивается время, в течение которого находится в замкнутом состоянии. Иначе говоря, за счет инерционности процессов накопления и рассасывания заряда в базе транзистор не может осуществлять достаточно быстрое включение и выключение, т. е. не обеспечивает достаточное быстродействие ключевого режима.

21. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ТРАНЗИСТОРОВ

Существующие типы транзисторов классифицируются по методу изготовления, применяемым материалам, особенностям работы, назначению, мощности, диапазону рабочих частот и по другим признакам. Точечные транзисторы, исторически бывшие первыми, теперь не применяются. Рассмотрим плоскостные транзисторы. В качестве полупроводников для транзисторов, выпускаемых промышленностью, применяются германий и кремний. По предельной мощности, выделяемой в коллекторном переходе, различают транзисторы малой, средней и большой мощности. В зависимости от предельной рабочей частоты транзисторы бывают низкочастотные (до 3 МГц), средней частоты (от 3 до 30 МГц) и высокочастотные (выше 30 МГц).

У подавляющего большинства транзисторов основным физическим процессом является инжекция носителей, но имеется группа транзисторов, работающих без инжекции. К ним, в частности, относятся полевые (канальные) транзисторы. Транзисторы с инжекцией могут иметь различное число p-n-пере-ходов.

Исключительно широкое распространение получили биполярные транзисторы, имеющие два p-n-пере-хода. Различают два вида таких транзисторов: дрейфовые, в которых перенос неосновных носителей заряда через базу осуществляется главным образом посредством дрейфа, т. е. под действием ускоряющего электрического поля, и бездрейфовые, в которых такой перенос осуществляется главным образом посредством диффузии.

Бездрейфовые транзисторы имеют во всем объеме базы одну и ту же концентрацию примеси. Вследствие этого в базе не возникает электрического поля и но– сители в ней совершают диффузионное движение от эмиттера к коллектору. Скорость такого движения меньше скорости дрейфа носителей в ускоряющем поле. Следовательно, бездрейфовые транзисторы предназначены для более низких частот, нежели дрейфовые.

В дрейфовых транзисторах электрическое поле в базе ускоряет неосновные носители при их движении к коллектору. Поэтому повышаются предельная частота и коэффициент усиления по току. Чаще всего электрическое поле в базе создается за счет неодинаковой концентрации примесей в объеме базы, что может быть достигнуто при диффузионном методе изготовления p-n-переходов. Транзисторы, изготовленные таким методом, называют диффузионными.

Бездрейфовые транзисторы в большинстве имеют сплавные переходы, полученные по такой технологии, как у диодов. Эти транзисторы принято называть сплавными. В основную пластинку полупроводника с двух сторон вплавляются примеси, образующие эмиттерную и коллекторную области. Так как на коллекторном переходе рассеивается большая мощность, то он обычно имеет значительно большие размеры, чем эмиттерный переход. Однако могут быть изготовлены и симметричные сплавные транзисторы, у которых оба перехода одинаковы.

Дрейфовые транзисторы делаются на предельные частоты в десятки раз более высокие, нежели у сплавных транзисторов. Под действием ускоряющего поля носители гораздо быстрее движутся в базе. При изготовлении дрейфовых транзисторов применяется метод диффузии, при котором база может быть сделана очень тонкой. Коллекторный переход получается плавным и тогда его емкость гораздо меньше, чем у сплавных переходов. За счет малой толщины базы коэффициенты усиления б и в значительно выше, чем у сплавных транзисторов. Метод диффузии позволяет изготавливать транзисторы более точно, с меньшим разбросом параметров и характеристик.

22. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРАХ И ПРИНЦИПЫ ИХ КЛАССИФИКАЦИИ

Электровакуумные приборы получили широкое распространение. С помощью этих приборов можно преобразовать электрическую энергию одного вида в электрическую энергию другого вида, отличающуюся по форме, величине и частоте тока или напряжения, а также энергию излучения в электрическую и обратно.

При помощи электровакуумных приборов можно осуществить регулирование различных электрических, световых и других величин плавно или по ступеням, с большой или малой скоростью и с малыми затратами энергии на сам процесс регулирования, т. е. без значительного снижения КПД, характерного для многих других способов регулирования и управления.

Эти достоинства электровакуумных приборов обусловили их использование для выпрямления, усиления, генерирования и преобразования частоты различных электрических токов, осциллографии электрических и неэлектрических явлений, автоматического управления и регулирования, передачи и приема телевизионных изображений, различных измерений и других процессов.

Электровакуумными приборами называют приборы, в которых рабочее пространство, изолированное газонепроницаемой оболочкой, имеет высокую степень разрежения или заполнено специальной средой (парами или газами) и действие которых основано на использовании электрических явлений в вакууме или газе.

Электровакуумные приборы делятся на электронные приборы, в которых проходит чисто электронный ток в вакууме, и ионные приборы (газоразрядные), для которых характерен электрический разряд в газе или парах.

В электронных приборах ионизация практически отсутствует, а если и наблюдается в небольшой степени, то не оказывает заметного влияния на работу этих приборов. Разрежение газа в этих приборах оценивается давлением остаточных газов менее 10-6мм рт. ст., характерным для высокого вакуума.

В ионных приборах давление остаточных газов бывает 10-3мм рт. ст. и выше. При таком давлении значительная часть движущихся электронов сталкивается с молекулами газа, приводит к ионизации, и, следовательно, в этих приборах процессы являются электронно-ионными.

Действие проводниковых (безразрядных)электровакуумных приборов основано на использовании явлений, связанных с электрическим током в твердых или жидких проводниках, находящихся в разреженном газе. В этих приборах электрического разряда в газе или в вакууме нет.

Электровакуумные приборы подразделяются по различным признакам. Особую группу составляют электронные лампы, т. е. электронные приборы, предназначенные для различных преобразований электрических величин. Эти лампы по своему назначению бывают генераторными, усилительными, выпрямительными, частотопреобразовательными, детекторными, измерительными и т. д. Большинство их рассчитано на работу в непрерывном режиме, но выпускают лампы и для импульсного режима. Они создают электрические импульсы, т. е. кратковременные токи при условии, что длительность импульсов много меньше, чем промежутки между импульсами.

Электровакуумные приборы классифицируются еще и по многим другим признакам: по типу катода (накаленный или холодный), по устройству баллона (стеклянный, металлический, керамический или комбинированный), по роду охлаждения (естественное, т. е. лучистое, принудительное воздушное, водяное).

23. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ДИОДА

Главным назначением двухэлектродной лампы, называемой диодом, является выпрямление переменного тока.

Диод имеет два металлических электрода в стеклянном, металлическом или керамическом баллоне с вакуумом. Одним электродом является накаленный катод, служащий для эмиссии электронов. Другой электрод – анод – служит для притяжения электронов, испускаемых катодом, и создания потока свободных электронов. Катод и анод вакуумного диода аналогичны эмиттеру и базе полупроводникового диода. Анод притягивает электроны в случае, если он имеет положительный потенциал относительно катода. В пространстве между анодом и катодом образуется электрическое поле, которое при положительном потенциале анода является ускоряющим для электронов, испускаемых катодом. Электроны, вылетающие из катода, под действием поля движутся к аноду.

В простейшем случае катод делают в виде металлической проволочки, которая накаливается током. С ее поверхности вылетают электроны. Такие катоды называют катодами прямого и непосредственного накала.

Большое распространение получили также катоды косвенного накала, иначе называемые подогревными. Катод такого типа имеет металлический цилиндр, у которого поверхность покрыта активным слоем, эмитирующим электроны. Внутри цилиндра находится подогреватель в виде проволочки, накаливаемой током.

Между анодом и катодом электроны образуют распределенный в пространстве отрицательный электрический заряд, называемый объемным или пространственным и препятствующий движению электронов к аноду. При недостаточно большом положительном потенциале анода не все электроны могут преодолеть тормозящее действие объемного заряда и часть их возвращается на катод.

Чем выше потенциал анода, тем больше электронов преодолевает объемный заряд и уходит к аноду, т. е. тем больше катодный ток.

В диоде ушедшие с катода электроны попадают на анод. Поток электронов, летящих внутри лампы от катода к аноду и попадающих на анод, называют анодным током. Анодный ток является основным током электронной лампы. Электроны анодного тока движутся внутри лампы от катода к аноду, а вне лампы – от анода к плюсу анодного источника, внутри последнего – от его плюса к минусу и затем – от минуса источника к катоду лампы. При изменении положительного потенциала анода изменяется катодный ток и равный ему анодный ток. В этом заключается электростатический принцип управления анодным током. Если потенциал анода отрицателен относительно катода, то поле между анодом и катодом является тормозящим для электронов, вылетающих из катода. Эти электроны под действием поля тормозятся и возвращаются на катод. В этом случае катодный и анодный токи равны нулю. Таким образом, основным свойством диода является его способность проводить ток в одном направлении. Диод обладает односторонней проводимостью.

Маломощные детекторные диоды выпускаются с катодами косвенного накала. Они имеют электроды небольшого размера, рассчитаны на малые анодные токи, малую предельную мощность, выделяемую на аноде, и невысокое обратное напряжение. Детекторные диоды для высоких и сверхвысоких частот делают с возможно меньшей емкостью. Более мощные диоды (кенотроны) для выпрямления переменного тока электросети выпускаются с катодами как прямого, так и косвенного накала, и рассчитаны на более высокое обратное напряжение. Широкое применение имеют двойные диоды, т. е. два диода в одном баллоне.

24. ТРИОД И ЕГО ЦЕПИ

В отличие от диодов триоды имеют третий электрод – управляющую сетку, называемую обычно простой сеткой и расположенную между анодом и катодом. Она служит для электростатического управления анодным током. Если изменять потенциал сетки относительно катода, то будет изменяться электрическое поле и вследствие этого станет изменяться катодный ток лампы. В этом заключается управляющее действие сетки.

Катод и анод триодов такие же, как у диодов. Сетка в большинстве ламп выполняется из проволоки, окружающей катод. Катод, сетка и анод вакуумного диода аналогичны соответственно эмиттеру, базе и коллектору биполярного транзистора или истоку, затвору и стоку полевого транзистора.

Все, что относится к сетке, обозначается буквой «с».

Триод имеет цепи накала и анода, подобные таким же цепям диода, и цепь сетки. В практических схемах в цепь сетки включают резисторы и другие детали.

Разность потенциалов между сеткой и катодом является сеточным напряжением (напряжением сетки) и обозначается Uc. Для лампы с катодом прямого накала сеточное напряжение определяется относительно конца катода, соединенного с отрицательным полюсом анодного источника. При положительном напряжении сетки часть электронов, испускаемых катодом, попадает на сетку, и в ее цепи образуется сеточный ток (ток сетки), обозначаемый iс. Часть триода, состоящая из катода, сетки и пространства между ними, по своим свойствам подобна диоду, а цепь сетки сходна с анодной цепью диода. Роль анода в этом диоде выполняет сетка.

Основным и полезным током в триоде является анодный ток. Он аналогичен коллекторному току биполярного транзистора или току стока полевого транзистора. Сеточный ток, аналогичный току базы транзистора, как правило, бесполезен и даже вреден.

Обычно он бывает значительно меньше анодного тока. Во многих случаях стремятся к тому, чтобы сеточного тока вообще не было. Для этого напряжение сетки должно быть отрицательным. Тогда сетка отталкивает электроны и сеточный ток практически отсутствует. Встречаются случаи, когда триоды работают при сравнительно больших положительных напряжениях сетки, и тогда сеточный ток имеет значительную величину.

Возможность работы вакуумного триода без вредного сеточного воздействия существенно отличает его от биполярного транзистора, который не может работать без тока базы.

В проводе катода протекает вместе анодный и сеточный токи. Суммарный ток здесь является катодным током, или током катода, и обозначается iк; iк = iа + iс.

Катодный ток аналогичен эмиттерному току биполярного транзистора или току истока полевого транзистора и определяется суммарным потоком электронов, движущихся от катода в направлении к сетке. В диоде катодный ток всегда равен анодному току, а в триоде эти токи равны только при Uc <0, так как в этом случае iс = 0.

В триоде с катодом прямого накала в цепи накала катодный ток разветвляется на две части, которые складываются алгебраически с током накала. Чтобы измерить в этом случае катодный ток, надо включить миллиамперметр.

Подобно диодам, триоды обладают односторонней проводимостью и могут быть использованы для выпрямления переменного тока. Но для этого их применять нет смысла, так как диоды проще по конструкции и дешевле. Возможность управления анодным током с помощью сетки определяет основное назначение триодов – усиление электрических колебаний. Триоды применяются также для генерирования электрических колебаний различной частоты. Работа триодов в генераторах и во многих других специальных схемах в большинстве случаев сводится к усилению колебаний.

25. ПРОСТЫЕ И СЛОЖНЫЕ КАТОДЫ

Простые катоды, т. е. катоды из чистых металлов, делаются почти исключительно из вольфрама (редко из тантала) и имеют прямой накал.

Главным достоинством вольфрамового катода является устойчивость его эмиссии. При постоянном накале эмиссия лишь постепенно снижается в течение срока службы катода. А за короткие промежутки времени изменения эмиссии практически отсутствуют. После временного, не очень длительного перекала эмиссия не уменьшается. Сильный перекал опасен, так как катод может расплавиться.

Длительный перекал значительно сокращает долговечность вольфрамового катода. Увеличение напряжения накала лишь на 5 % уменьшает срок службы в 2 раза, понижение накала на 5 %, наоборот, дает увеличение срока службы вдвое.

Вольфрамовый катод не разрушается и не снижает эмиссии от ударов ионов. Стойкость вольфрамового катода к ионной бомбардировке делает его особенно пригодным для мощных ламп, работающих с высокими анодными напряжениями. Катоды из вольфрама применяются также в специальных электрометрических лампах, в которых важно постоянство эмиссии. У ламп с вольфрамовым катодом испаряющиеся частички вольфрама образуют на поверхности баллона слой, поглощающий газы и улучшающий вакуум. Основной недостаток вольфрамового катода – низкая эффективность. Из всех катодов он наименее экономичен. Эмиссия у него сравнительно мала. Зато вследствие высокой температуры интенсивно излучаются тепловые и световые лучи, на что бесполезно расходуется почти вся мощность накала. Именно это послужило толчком к созданию более экономичных сложных катодов.

Сложные катоды могут иметь различное устройст-, во. У многих типов катодов на поверхность чистого металла наносится активирующий слой, который уменьшает работу выхода и позволяет получать большую эмиссию при сравнительно невысоких температурах.

Главным достоинством сложных катодов является их экономичность. Рабочая температура у некоторых типов катодов составляет 1000 К. Долговечность доходит до тысячи и даже до десятков тысяч часов. К концу этого срока происходит понижение эмиссии от уменьшения количества активирующих примесей, например за счет их испарения. Некоторые типы сложных катодов дают сверхвысокую эмиссию в импульсном режиме, т. е. в течение коротких промежутков времени, разделенных друг от друга значительно более длительными паузами.

Основным недостатком сложных катодов является невысокая устойчивость эмиссии. Эти катоды снижают эмиссионную способность при временном перекале, что объясняется испарением активирующих веществ при повышенной температуре. Для уменьшения возможности ионизации в лампах со сложными катодами важно поддерживать очень высокий вакуум. Это достигается применением специального газопоглотителя.

Сложные катоды могут быть пленочные и полупроводниковые.

Применяются катоды новых типов: бариево-вольф-рамовые, ториево-оксидные и ряд других. Бариево-вольфрамовые катоды делают косвенного накала. На поверхности пористого вольфрама создается пористая активирующая пленка бария и стронция. Пленка, испаряясь, пополняется за счет диффузии сквозь вольфрам атомов бария и стронция из таблетки окислов этих металлов. Их преимуществом является стойкость при электронной и ионной бомбардировке.

В так называемых синтерированных катодах оксид наносится на никелевую губку или сетку. Сопротивление подобного катода значительно снижается, и он гораздо меньше склонен к искривлению и возникновению очагов перегрева.

26. КАТОДЫ ПРЯМОГО И КОСВЕННОГО НАКАЛА

Катоды прямого накала представляют собой проволоку круглого или прямоугольного сечения. Толщина ее бывает от 0,01 мм у самых маломощных ламп до 1–2 мм у мощных ламп. Короткие катоды делаются прямыми. Более длинные изгибаются в виде ломаной линии. В ионных приборах нередко катод имеет форму соленоида. Мощные катоды этих приборов изготовляют из ленты, изогнутой «гармошкой» или по винтовой линии.

Достоинствами катодов прямого накала являются простота устройства и возможность их изготовления для самых маломощных ламп в виде тонких нитей на малый ток накала. Катоды прямого накала применяются в мощных генераторных лампах для маломощных переносных и передвижных радиостанций, питаемых от сухих батарей или аккумуляторов, так как в этих случаях важна экономия энергии источников тока.

Катод в виде тонкой нити после включения накала быстро разогревается, что весьма удобно. Но большим недостатком этих катодов являются паразитные пульсации анодного тока при питании накала переменным током. Они создают большие помехи, искажая и заглушая полезные сигналы. При слуховом приеме эти пульсации проявляют себя характерным гудением – «фоном переменного тока».

Недостатком тонких катодов прямого накала является микрофонный эффект. Он состоит в том, что анодный ток пульсирует при механических сотрясениях лампы. Внешние толчки создают у катода вибрации. Расстояние между катодом и другими электродами изменяется. Это и приводит к пульсации анодного тока.

Широкое применение имеют катоды косвенного накала. Обычно катод косвенного накала имеет никелевую трубку с оксидным слоем, внутрь которой вставлен вольфрамовый подогреватель, свернутый петлей. Для изоляции от катода подогреватель покрывается массой из прокаленной окиси алюминия, называемой алундом. При значительной длине подогреватель изгибают несколько раз или скручивают по винтовой линии. В некоторых лампах катод сделан в виде невысокого цилиндра с верхним основанием, покрытым оксидом. Внутри цилиндра находится подогреватель с алундовой изоляцией, имеющий форму петли, свернутой спиралью. Катоды косвенного накала, как правило, оксидные.

Главным достоинством катодов косвенного накала является почти полное устранение вредных пульсаций при питании переменным током. Колебание температуры практически отсутствует, так как масса, а следовательно, и теплоемкость у этих катодов значительно больше, нежели у катодов прямого накала. Катод косвенного накала обладает большой тепловой инерцией. От момента включения тока накала до полного разогрева катода проходят десятки секунд. Столько же времени нужно для остывания катода.

Катод косвенного накала является эквипотенциальным. Вдоль него нет падения напряжения от тока накала. Анодное напряжение для всех точек его поверхности одно и то же. Оно не пульсирует при колебаниях напряжения накала.

Достоинством катодов косвенного накала является незначительный микрофонный эффект. Масса катода сравнительно велика, и его трудно привести в состояние колебаний.

Катоды косвенного накала имеют некоторые недостатки. Они сложнее по конструкции и обладают несколько меньшей эффективностью. Катоды косвенного накала трудно сконструировать на очень малые токи и поэтому они менее пригодны для маломощных экономичных ламп, рассчитанных на питание от батарей.

27. ЗАКОН СТЕПЕНИ ТРЕХ ВТОРЫХ ДЛЯ ДИОДА

Для диода, работающего в режиме объемного заряда, анодный ток и анодное напряжение связаны нелинейной зависимостью, которая на основании теоретических расчетов приближенно выражается так называемым законом степени трех вторых: /а = диа3/2, где коэффициент дзависит от геометрических размеров и формы электродов, а также от выбранных единиц.

Анодный ток пропорционален анодному напряжению в степени 3/2, а не в первой степени, как в законе Ома. Если увеличить, например, анодное напряжение вдвое, то анодный ток возрастает примерно в 2,8 раза, т. е. станет на 40 % больше, чем должен быть по закону Ома. Таким образом, анодный ток растет быстрее, нежели анодное напряжение.

Графически закон степени трех вторых изображается кривой линией, которая называется полукубической параболой.

Закон степени трех вторых справедлив для положительных анодных напряжений, меньших напряжений насыщения.

Если расшифровать коэффициент д в законе степени трех вторых, то этот закон для диода с плоскими электродами следует писать так:

iа = 2,33 · 10-6(Qа /d2а. к)Uа3/2,

где Qа – площадь анода, dа. к – расстояние «анод – катод».

Для диодов с электродами другой формы в постоянный коэффициент вводятся некоторые поправки, а Qа представляет собой действующую поверхность анода, т. е. ту поверхность, которая принимает на себя основной электронный поток. В этой формуле ток получается в амперах, если напряжение взято в вольтах, а Qа и d2ак.выражены в любых одинаковых единицах, например в квадратных миллиметрах. Ток обратно пропорционален квадрату расстояния «анод – катод». Уменьшение этого расстояния резко увеличивает этот анодный ток.

Закон степени трех вторых, несмотря на свою неточность, полезен, так как он в наиболее простой форме учитывает нелинейные свойства электронной лампы.

Рассмотрим вывод формулы закона степени трех вторых для диода с плоскими электродами. Будем считать, что объемный заряд q, в который входят все электроны, летящие к аноду, расположен так близко к катоду, что расстояние между этим зарядом и «анодом» можно принять равным расстоянию анод – катод dа.к. Если время пролета электронов вдоль расстояния dа.к. равно t, то величина анодного тока равна: ia, = q/ t.

Заряд q можно выразить через анодное напряжение и емкость анод – катод Сак: q= Са.к. Uа.

При этом для емкости Са.к. имеем формулу: Са.к. = ?0Qа / dа.к., где ?0 = 8,86 · 10-16Ф/м – диэлектрическая проницаемость вакуума, а Qа – площадь анода. Время пролета t определим через среднюю скорость: t= dа. к. / ?ср, но ?ср = v/2, где v – конечная скорость.

В действительности вследствие неоднородности поля средняя скорость несколько меньше, чем определенная по вышеуказанным формулам.

Вследствие приближенности вывода постоянный коэффициент в этом выражении несколько завышен. Более строгий вывод дает более точное значение постоянного коэффициента, но этот вывод также основан на допущениях, не соответствующих действительности. В частности, начальная скорость электронов полагается равной нулю, а распределение потенциала принимается таким, как в режиме насыщения, хотя закон степени трех вторых относится только к режиму объемного заряда.

28. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТРИОДЕ

Катод и анод работают в триоде так же, как в диоде. В режиме объемного заряда около катода образуется потенциальный барьер. Как и в диоде, величина катодного тока зависит от высоты этого барьера.

Управляющее действие сетки в триоде подобно действию анода в диоде. Если изменить напряжение сетки, то изменяется напряженность поля, создаваемого сеткой. Под влиянием этого изменяется высота потенциального барьера около катода. Следовательно, будет изменяться количество электронов, преодолевающих этот барьер, т. е. величина барьерного тока.

Когда напряжение сетки изменяется в положительную строну, то потенциальный барьер понижается, его преодолевает большее количество эмитированных электронов, меньше их возвращается на катод и катодный ток возрастает. А при изменении сеточного напряжения в отрицательную сторону потенциальный барьер у катода повышается. Тогда его сможет преодолеть меньшее количество электронов. Увеличится число электронов, возвращающихся на катод, и катодный ток уменьшится.

Сетка действует на катодный ток значительно сильнее, чем анод, потому что она расположена к катоду ближе, чем анод, и является экраном для электрического поля анода.

Соотношение влияний сетки и анода на анодный ток характеризует важнейший параметр триода – коэффициент усиления. Коэффициент усиления – это отвлеченное число, показывающее, во сколько раз напряжение сетки действует на анодный ток сильнее, чем напряжение анода.

Сравнительно небольшое отрицательное напряжение сетки может значительно уменьшить анодный ток и даже совсем его прекратить.

Увеличение сеточного напряжения сетки сопровождается ростом анодного и сеточного токов.

При больших положительных анодных напряжениях сетки ток сетки настолько возрастает, что анодный ток может даже уменьшиться.

Значительное влияние на работу триода оказывает так называемый островковый эффект. Из-за неоднородной структуры сетки поле, создаваемое сеткой, также неоднородно, и оно влияет на потенциальный барьер около катода в различных его участках неодинаково. Сетка своим полем сильнее действует на потенциальный барьер около тех участков катода, которые ближе к проводникам сетки.

Характеристики триода при работе его на постоянном токе и без нагрузки называются статическими.

Различают теоретические и действительные характеристики триодов. Теоретические характеристики могут быть построены на основании закона трех вторых и не являются точными. Действительные характеристики снимаются экспериментально. Они более точны. Причины отклонения действительных характеристик от теоретических у триода те же, что и у диода. Значительное влияние оказывают неодинаковость температуры в разных точках катода, неэквипотенциаль-ность катода, дополнительный подогрев катода анодным током. На участки характеристик для малых анодных токов сильное влияние оказывают начальная скорость электронов, контактная разность потенциалов и термо-ЭДС.

В триоде эти факторы влияют сильнее, нежели в диоде, так как их действие распространяется не только на анодную цепь, но и на цепь сетки.

29. ДЕЙСТВУЮЩЕЕ НАПРЯЖЕНИЕ И ЗАКОН СТЕПЕНИ ТРЕХ ВТОРЫХ ДЛЯ ТРИОДА

Действующее напряжение триода позволяет рассчитать катодный ток триода путем замены триода эквивалентным диодом. Эта замена состоит в следующем. Если в триоде на место сетки поместить анод, имеющий такую же поверхность, какую занимает сетка, то в этом диоде при некотором его анодном напряжении анодный ток получается равным катодному току в триоде. Напряжение, приложенное к аноду эквивалентного диода и создающее в нем анодный ток, равный катодному току реального диода, называется действующем напряжением ид. Его действие эквивалентно совместному действию сеточного и анодного напряжений. То есть действующее напряжение должно создавать около катода эквивалентного диода такую же напряженность поля, какая создается около катода триода.

Величина действующего напряжения определяется приближенно формулой Uд ~ Uс + Dиа = Uс + Uа /?.

Напряжение сетки действует своим полем без ослабления, а поле, создаваемое анодным напряжением в пространстве «сетка – катод», ослаблено за счет экранирующего действия сетки. Ослабление действия анода характеризуется проницаемостью D или коэффициентом усиления ?. Поэтому величину Uа нельзя складывать с Uс, а нужно сначала умножить ее на D или разделить на ? (? и D являются обратными величинами только при iс = 0).

Приближенная формула для Uд является приближенной, так как не учитывает, что поле около катода может быть неоднородным. Эта формула применяется в тех случаях, когда сетка не слишком редкая (при D<0,1 или ?>10).

Действующий заряд qд должен быть равен сумме заряда q1, созданного на катоде действием поля сетки, и заряда q2, созданного полем, проникающим сквозь сетку от анода. Выразим эти заряды через напряжения и емкости: q1= Сск, Uс и q2 = Сак Uа. Заряд q2 на катод равен той небольшой части всего заряда анода, от которой электрические силовые линии проходят сквозь сетку до катода. Заменяя qД суммой q1 + q2, получаем: uд = (q1 + q2) / Сс.к. = (Сс.к. uс + Са.к. uа) / Сс.к. = uс + uаСа.к. / Сск. Обозначим D= Са.к. / Сск. Тогда окончательно получим: uд = uс + DUa,

В эквивалентном диоде анодный ток равен катодному току триода, а роль анодного напряжения выполняет действующее напряжение. Поэтому закон степени трех вторых для триода можно написать так: iк = дuд3/2= g(ис + Duа)3/2.

Учитывая, что в эквивалентном диоде анод расположен на месте сетки реального триода, коэффициент g для триода с плоскими электродами равен: g = 2,33 · 10-6(Qа/ d2с.к.).

Поверхность анода эквивалентного диода в этом случае равна поверхности действительного анода.

Закон степени трех вторых для триодов является весьма приближенным. Существенное значение имеет неточность определения действующего напряжения. Тем не менее закон степени трех вторых полезен при рассмотрении теории работы триода и при конструировании ламп.

30. ТОК СЕТКИ В ТРИОДЕ

За счет начальных скоростей электронов, вылетающих из катода, контактной разности потенциалов и тер-мо-ЭДС, действующих в сеточной цепи, характеристика тока сетки начинается в области небольших отрицательных сеточных напряжений. Хотя ток сетки в этой области весьма невелик и у приемно-усилительных ламп составляет малые доли миллиампера, во многих случаях с ним приходится считаться. Реже встречаются характеристики тока сетки, начинающиеся в области положительных сеточных напряжений. Они получаются тогда, когда контактная разность потенциалов создает на сетке отрицательное напряжение и действует сильнее начальной скорости электронов.

В лампах, работающих при значительных положительных напряжениях на сетке, например генераторных, при возрастании положительного сеточного напряжения ток сетки сначала увеличивается и достигает максимума, который иногда располагается в области отрицательных значений тока. При дальнейшем увеличении напряжения сетки ток снова растет.

Такое явление объясняется вторичной эмиссией сетки. Под ударами первичных электронов при положительном напряжении сетки из нее выбиваются вторичные электроны. С увеличением сеточного напряжения коэффициент вторичной эмиссии растет и увеличивается поток первичных электронов, бомбардирующих сетку. Вследствие этого возрастает число вторичных электронов. Их поток направлен на анод, имеющий более высокий положительный потенциал.

В цепи сетки появляется ток вторичных электронов, имеющий направление, обратное току первич– ных электронов. Результирующий ток сетки уменьшается и может даже изменить направление на обратное, если коэффициент вторичной эмиссии больше 1. При этом ток анода возрастает, так как к току первичных электронов, летящих от катода, добавляется ток вторичных электронов.

Явление возникновения тока вторичных электронов называется динатронным эффектом.

Когда сеточное напряжение превысит анодное, то поле между анодом и сеткой станет тормозящим для вторичных электронов сетки и они будут возвращаться на сетку. Но зато вторичные электроны, выбиваемые из анода, будут ускоряться этим полем и лететь к сетке, т. е. возникает динатронный эффект со стороны анода. При этом ток сетки дополнительно возрастает за счет тока вторичных электронов, а ток анода несколько уменьшится.

При отрицательном сеточном напряжении существует очень небольшой сеточный ток. Он называется обратным сеточным током, потому что его направление противоположно направлению сеточного тока при положительном напряжении сетки (электроны обратного тока во внешних проводах сеточной цепи движутся по направлению к сетке). Обратный сеточный ток имеет несколько составляющих: ионный ток, тер-моток и ток утечки.

С уменьшением отрицательного напряжения сетки увеличивается анодный ток и возрастает ионизация. К сетке подходит большее число ионов, ионный ток растет. При положительном напряжении сетки электронный ток резко возрастает и настолько преобладает над ионным, что последний уже практически не играет роли. Если сетка имеет высокую температуру, то может возникнуть ток термоэлектронной эмиссии (термоток) сетки. Для уменьшения этого тока сетки делают из металла с большой работой выхода и малым коэффициентом вторичной эмиссии.

31. РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРИОДА

Анодно-сеточной характеристикой называется график зависимости анодного тока от сеточного напряжения при постоянных значениях напряжения анодного источника и сопротивления нагрузки. В отличие от статических характеристик для рабочей характеристики не ставится условие постоянства анодного напряжения, так как оно в рабочем режиме меняется. Форма рабочей характеристики и ее положение зависят от величины и характера анодного нагрузочного сопротивления.

Для построения анодно-сеточной рабочей характеристики должны быть заданы семейство анодно-сеточных статических характеристик, напряжение анодного источника и сопротивление нагрузки.

Если напряжение анода равно напряжению анодного источника, а ток равен нулю, то лампа заперта, так как только в этом случае нет падения напряжения на сопротивлении нагрузки.

Рабочая анодно-сеточная характеристика имеет меньшую крутизну, чем статические характеристики. Чем больше анодный ток, тем меньше становится анодное напряжение. Поэтому рабочая характеристика всегда проходит, пересекая статические характеристики. Наклон рабочей характеристики зависит от сопротивления нагрузки. С увеличением сопротивления нагрузки анодный ток уменьшается и рабочая характеристика проходит более полого. Когда сопротивление нагрузки постоянно, то рабочая характеристика сдвигается вправо, если напряжение анодного источника уменьшается, или влево, если анодное напряжение увеличивается.

С помощью рабочей характеристики можно рассчитать изменения анодного тока при изменении сеточного напряжения. Можно определить и анодное напряжение, если учесть, что каждая точка рабочей характеристики соответствует некоторому анодному напряжению.

Для построения анодной рабочей характеристики должны быть заданы семейство статических анодных характеристик, а также анодное напряжение и сопротивление нагрузки. Рабочая характеристика представляет собой линию нагрузки.

С помощью линии нагрузки можно определить анодный ток и анодное напряжение при любом напряжении сетки. Линия нагрузки позволяет решать и другие задачи. Можно, например, найти, при каком сеточном напряжении получается анодный ток нужной величины.

Рабочая анодная характеристика по сравнению с анодно-сеточной имеет некоторые преимущества. Поскольку она является прямой, то строится по двум точкам и получается точнее. С ее помощью удобнее определяется анодное напряжение, так как оно отложено по оси абсцисс. Для практических расчетов чаще используют рабочую анодную характеристику, хотя в некоторых случаях более удобной оказывается анодно-сеточная характеристика.

Наклон рассматриваемой характеристики зависит от сопротивления нагрузки. Чем больше сопротивление нагрузки, тем более полого идет линия нагрузки. Если сопротивление нагрузки равно нулю, то линия нагрузки превращается в вертикальную прямую.

При напряжении нагрузки равной бесконечности линия нагрузки совпадает с осью абсцисс. В этом случае при любых напряжениях анодный ток равен нулю.

В некоторых случаях необходимо построить анод-но-сеточную рабочую характеристику, если имеются только анодные статические характеристики.

32. УСТРОЙСТВО И РАБОТА ТЕТРОДА

Четырехэлектродные лампы, или тетроды, имеют вторую сетку, называемую экранирующей, или экранной, и расположенную между управляющей сеткой и анодом. Назначением экранирующей сетки является повышение коэффициента усиления и внутреннего сопротивления и уменьшение проходной емкости.

Если экранирующая сетка соединена с катодом, то она экранирует катод и управляющую сетку от действия анода. Экранирующая сетка перехватывает большую часть электрического поля анода. Можно сказать, что сквозь экранирующую сетку проникает лишь небольшая доля электрических силовых линий, выходящих из анода. Ослабление поля анода экранирующей сетки учитывается величиной проницаемости этой сетки.

Электрическое поле, проникающее через экранирующую сетку, далее перехватывается управляющей сеткой, через которую также проникает небольшая часть силовых линий. Ослабление поля анода управляющей сеткой зависит от ее проницаемости. Сквозь обе сетки от анода к потенциальному барьеру около катода проникает ничтожная часть общего числа силовых линий, которая характеризуется произведением проницаемостей сеток. Эта результирующая проницаемость обеих сеток называется проницаемостью тетрода.

Проницаемость тетрода характеризует соотношение воздействий анода и управляющей сетки на катодный ток. Она показывает, какую долю воздействия напряжения управляющей сетки на катодный ток составляет воздействие напряжения анода.

С помощью двух не очень густых сеток достигаются высокий коэффициент усиления и высокое внутреннее сопротивление. При этом, если на экранирующую сетку подано значительное положительное напряжение, то анодно-сеточные характеристики тетрода получаются «левыми», т. е. тетрод может нормально работать в области отрицательных сеточных напряжений.

Катодный ток в тетроде является суммой токов анода, экранирующей и управляющей сеток.

На экранирующую сетку подается постоянное положительное напряжение, составляющее 20–50 % анодного напряжения. Оно создается на участке «катод – экранирующая сетка – ускоряющее поле», понижает потенциальный барьер у катода. Это необходимо для движения электронов к аноду.

Анод через две сетки очень слабо действует на потенциальный барьер около катода. Если напряжение экранирующей сетки равно нулю, то тормозящее поле, создаваемое отрицательным напряжением управляющей сетки, значительно сильнее слабого ускоряющего поля, проникающего от анода. Результирующее поле на участке «управляющая сетка – катод» получается тормозящим. Иначе говоря, действующее напряжение в этом случае отрицательно и потенциальный барьер у катода настолько высок, что электроны его не могут преодолеть. Следовательно, лампа заперта и анодный ток равен нулю.

Проходная емкость между электродами лампы уменьшается примерно во столько раз, во сколько увеличивается коэффициент усиления. Чем гуще экранирующая сетка, тем меньше ее проницаемость, тем в большей степени уменьшается проходная емкость. Если бы экранирующая сетка была сплошной, то проходная емкость уменьшилась бы до нуля, но сетка перестала бы пропускать электроны к аноду.

33. ДИНАТРОННЫЙ ЭФФЕКТ В ТЕТРОДЕ

Существенным недостатком тетрода является динатронный эффект анода. Электроны, ударяя в анод, выбивают из него вторичные электроны. Вторичная эмиссия из анода существует во всех лампах, но в диодах и триодах она не вызывает последствий и остается незаметной. В этих лампах вторичные электроны, вылетевшие из анода, все возвращаются на него, так как анод имеет наибольший положительный потенциал по сравнению с потенциалами других электродов. Поэтому никакого тока вторичных электронов не возникает.

В тетроде вторичная эмиссия анода не проявляет себя, если напряжение экранирующей сетки меньше напряжения анода. При этом условии вторичные электроны возвращаются на анод. Если же тетрод работает в режиме нагрузки, то при увеличении анодного тока возрастает падение напряжения на нагрузке, а напряжение анода в некоторые промежутки времени может стать меньше постоянного напряжения экранирующей сетки. Тогда вторичные электроны, вылетев с анода, не возвращаются на него, а притягиваются к экранирующей сетке, имеющей более высокий положительный потенциал. Возникает ток вторичных электронов, направленный противоположно току первичных электронов. Общий анодный ток уменьшается, а ток экранирующей сетки увеличивается. Такое явление называют динатронным эффектом анода.

Динатронный эффект существенно влияет на анодные характеристики тетрода. При нулевом анодном напряжении существует очень небольшой начальный анодный ток, которым обычно можно пренебречь. Ток экранирующей сетки при этом наибольший. Подобно тому, как было в триоде режим возврата, в данном случае электроны, которые пролетели сквозь экранирующую сетку, участвуют в создании ее тока вместе с теми электронами, которые перехватываются этой сеткой. Изменение анодного напряжения изменяет iвысоту этого барьера, в результате чего резко изменяется распределение электронного потока между анодом и экранирующей сеткой.

В анодных характеристиках тетрода можно отметить четыре области. Первая область соответствует небольшим анодным напряжениям, примерно до 10–20 В. Вторичной эмиссии из анода еще нет, так как скорость первичных электронов недостаточна для выбивания вторичных электронов. С увеличением анодного напряжения наблюдается резкое возрастание анодного тока и уменьшение тока экранирующей сетки, что характерно для режима возврата.

Анодное напряжение слабо влияет на катодный ток, так как поле анода действует на потенциальный барьер у катода через две сетки. Поэтому катодный ток изменяется мало и его характеристика идет с небольшим подъемом.

Если напряжение анода превысит 10–20 В, то появляется вторичная эмиссия и возникает динатрон-ный эффект. С увеличением анодного напряжения вторичная эмиссия анода увеличивается, ток анода уменьшается, а ток экранирующей сетки возрастает. Минимум анодного тока получается при наиболее сильно выраженном динатронном эффекте. В подобном режиме ток вторичных электронов наибольший. Этот ток зависит от величины вторичной эмиссии и напряжения экранирующей сетки-анода, которое создает ускоряющее поле для вторичных электронов.

Когда анодное напряжение становится выше напряжения экранирующей сетки, то наблюдается небольшой рост анодного тока и незначительное уменьшение тока экранирующей сетки. Вторичная эмиссия анода в этой области существует, но вторичные электроны все возвращаются на анод, т. е. динатронного эффекта со стороны анода нет. Зато происходит попадание на анод вторичных электронов, выбитых с экранирующей сетки, за счет которых анодный ток несколько возрастает, а ток экранирующей сетки уменьшается.

Чтобы динатронный эффект не мог возникнуть, напряжение экранирующей сетки должно быть всегда меньше анодного напряжения.

34. УСТРОЙСТВО И РАБОТА ПЕНТОДА

Основной недостаток тетрода – динатронный эффект – привел к тому, что были разработаны и получили широкое распространение пятиэлектродные лампы, называемые пентодами. В них еще сильнее выражены все положительные свойства тетродов и вместе с тем устранен динатронный эффект.

В пентоде для устранения динатронного эффекта имеется еще одна сетка, расположенная между анодом и экранирующей сеткой. Ее называют защитной сеткой, так как она защищает лампу от возникновения динатронного эффекта. Встречаются также и другие названия этой сетки: антидинатронная, противодинат-ронная, пентодная, третья.

Защитная сетка обычно соединяется с катодом, т. е. имеет нулевой потенциал относительно катода и отрицательный относительно анода. В некоторых случаях на защитную сетку подается небольшое постоянное напряжение. Например, для увеличения полезной мощности генераторные пентоды работают при положительном напряжении на защитной сетке, а для модуляции колебаний путем изменения напряжения защитной сетки на ней устанавливается отрицательное смещение. Однако и в этих случаях потенциал защитной сетки обычно остается гораздо ниже потенциала анода и антидинатронное действие этой сетки примерно такое же, как и при нулевом ее потенциале.

Во многих пентодах соединение защитной сетки с катодом делают внутри лампы, и тогда на этой сетке напряжение всегда равно нулю. Если же имеется вывод защитной сетки, то соединение ее с катодом производят в монтаже схемы.

Роль защитной сетки состоит в том, что между ней и анодом создается электрическое поле, которое тормозит, останавливает и возвращает на анод вторичные электроны, выбитые из анода. Они не могут проникнуть на экранирующую сетку, даже если ее напряжение выше анодного, и динатронный эффект полностью устраняется.

На участке между экранирующей и защитной сетками для электронов, летящих от катода, создается тормозящее поле, и может показаться, что это вызовет уменьшение анодного тока. Однако электроны, получив большую скорость под действием ускоряющего поля экранирующей сетки и пролетев через нее, долетают до защитной сетки и не теряют полностью своей скорости, так как в пространстве между витками этой сетки потенциал не нулевой, а положительный.

Нулевой потенциал имеется на проводниках защитной сетки, а в промежутках между ними потенциал выше нуля, но ниже, чем на аноде. В промежутке анод – экранирующая сетка создается вторичный потенциальный барьер, который не могут преодолеть вторичные электроны, выбитые из анода. Этотбарьер существенно влияет на процесс токораспреде-ления в пентоде.

Пентоды отличаются от тетродов более высоким коэффициентом усиления, достигающим у некоторых пентодов несколько тысяч. Это объясняется тем, что защитная сетка выполняет роль дополнительной экранирующей сетки. Следовательно, в пентоде действие анода по сравнению с действием управляющей сетки еще слабее, нежели в тетроде. Соответственно возрастает и внутреннее сопротивление, которое у некоторых пентодов доходит до миллионов Ом. Проходная емкость становится еще меньше, чем у тетродов. Крутизна пентодов такого же порядка, как у триодов и тетродов, т. е. в пределах 1-50 мА/В.

Пентод можно привести к эквивалентному диоду таким же путем, как это было сделано для тетрода. Проницаемость пентода – весьма малая величина. Следовательно, коэффициент усиления пентода может быть очень большим.

35. ПАРАМЕТРЫ ТЕТРОДОВ И ПЕНТОДОВ

Статические параметры тетродов и пентодов определяются аналогично параметрам триода. Для практического определения параметров берут отношение конечных приращений.

Управляющая сетка в тетродах и пентодах расположена относительно катода так же, как и в триодах. Поэтому крутизна у тетродов и пентодов такого же порядка, как у триодов,т. е. составляет единицы или десятки миллиампер на вольт, хотя некоторое снижение крутизны получается за счет того, что анодный ток всегда меньше катодного тока.

Вследствие того что действие анодного напряжения в тетроде или пентоде ослаблено во много раз, внутреннее сопротивление получается в десятки и сотни раз большим, чем у тетрода, и доходит до сотен килоом.

Внутреннее сопротивление сильно зависит от процесса токораспределения, так как при изменении анодного напряжения анодный ток изменяется за счет этого процесса. Можно считать, что внутреннее сопротивление пентода состоит как бы из двух сопротивлений, соединенных параллельно. Одно из них определяется воздействием поля анода сквозь три сетки на потенциальный барьер у катода, за счет чего происходит очень небольшое изменение анодного тока. Чем гуще сетки, тем это сопротивление больше. Второе сопротивление определяется изменением анодного тока за счет процесса токораспределе-ния и обычно значительно меньше первого сопротивления.

Коэффициент усиления может быть в десятки и сотни тысяч раз большим, чем у триодов, т. е. величина его доходит до сотен и тысяч.

В тетродах и пентодах катодный ток всегда больше анодного, поскольку ток экранирующей сетки всегда существует вместе с анодным током.

Вследствие значительной нелинейной характеристики тетрода и пентода параметры при изменении режима довольно сильно изменяются. При увеличении отрицательного напряжения управляющей сетки, т. е. при уменьшении анодного тока, крутизна уменьшается, а внутреннее сопротивление и коэффициент усиления увеличиваются. Особенностью тетродов и пентодов по сравнению с триодами является сильная зависимость коэффициента усиления от режима.

Если в режиме возврата характеристики переплетаются, то крутизна и коэффициент усиления могут иметь значения, равные нулю и меньше нуля.

С увеличением отрицательного напряжения управляющей сетки анодные характеристики в рабочей области идут более полого и ближе друг к другу, что соответствует увеличению внутреннего сопротивления и уменьшению крутизны.

В некоторых схемах тетрод или пентод используется так, что его триодная часть, состоящая из катода, управляющей сетки и экранирующей сетки, работает в одном каскаде, а вся лампа входит в состав другого каскада.

Крутизна и коэффициент усиления по экранирующей сетке обычно не представляют интереса, так как экранирующая сетка, как правило, не используется в качестве управляющей и напряжение на ней бывает постоянно.

Помимо рассмотренных параметров, имеются и другие, аналогичные тем, какие были указаны для триода. При расчете режимов работы и практическом применении тетродов и пентодов необходимо учитывать предельные значения токов, напряжений и мощностей, в частности важна предельная мощность, выделяемая на экранирующей сетке.

36. УСТРОЙСТВО И РАБОТА ЛУЧЕВОГО ТЕТРОДА

Позднее пентодов были разработаны и получили распространение лучевые тетроды. В них динатрон-ный эффект устранен путем создания для вторичных электронов, выбитых с анода, непреодолимого потенциального барьера, расположенного между экранирующей сеткой и анодом.

Лучевой тетрод по сравнению с обычным тетродом имеет следующие особенности конструкции. Увеличено расстояние между экранирующей сеткой и анодом. Управляющая и экранирующая сетка имеют одинаковое число витков, причем витки их расположены точно друг против друга.

В пространстве между сетками происходит фокусировка электронных потоков. Благодаря этому электроны летят от катода к аноду более плотными пучками – «лучами». Чтобы электроны не летели в направлении держателей сеток, имеются специальные экраны, или лучеобразующие пластины, соединенные с катодом. Кроме того, части поверхности катода, находящиеся против держателей сеток, не покрываются оксидным слоем и поэтому не дают эмиссии.

В лучевом тетроде получаются более плотные электронные потоки, нежели в обычном тетроде. Увеличение плотности тока дает возрастание плотности объемного заряда. Это, в свою очередь, вызывает понижение потенциала в пространстве между анодом и экранирующей сеткой. Если напряжение анода ниже, чем экранирующей сетки, то в обычном тетроде наблюдается динатронный эффект, а в лучевом тетроде его не будет, так как в промежутке «экранирующая сетка – анод» образуется потенциальный барьер для вторичных электронов.

Вторичные электроны, имеющие относительно не– большие начальные скорости, не могут преодолеть потенциальный барьер и попасть на экранирующую сетку, хотя на последней напряжение выше, чем на аноде. Первичные электроды, имея большие скорости, полученные за счет напряжения экранирующей сетки, преодолевают потенциальный барьер и попадают на анод.

В обычных тетродах экранирующая сетка «разбивает» электронные потоки и перехватывает много электронов. Такое же действие оказывают и держатели сеток. Поэтому в обычных тетродах не получаются достаточно плотные электронные потоки и не создается необходимый потенциальный барьер для вторичных электронов.

Образованию потенциального барьера способствует увеличенное расстояние между экранирующей сеткой и анодом. Чем больше это расстояние, тем больше здесь находится заторможенных электронов, имеющих малые скорости. Именно эти электроны увеличивают объемный отрицательный заряд и понижение потенциала становится более значительным.

Достоинством лучевых тетродов по сравнению с обычными тетродами является также значительно меньший ток экранирующей сетки. Он бесполезен и его уменьшение весьма желательно. В лучевых тетродах электроны летят через просветы экранирующей сетки и почти не перехватываются ею. Поэтому ток экранирующей сетки составляет не более 5–7% анодного тока.

Анодно-сеточные характеристики лучевых тетродов такие же, как у обычных тетродов или пентодов.

В мощных каскадах усиления низкой и высокой частоты лучевые тетроды с успехом заменяют пентоды. Для получения улучшенных характеристик выпускают лучевые пентоды. У них сетки подобны сеткам лучевого тетрода, и электроны летят к аноду лучами через просветы защитной сетки. Поэтому у лучевых пентодов ток экранирующей сетки значительно меньше, чем у обычных пентодов.

37. ПРИНЦИП ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ

Преобразованием частоты является любое ее изменение. Например, при выпрямлении переменный ток с частотой превращается в постоянный ток, у которого частота равна нулю. В генераторах энергия постоянного тока, имеющего частоту, равную нулю, преобразуется в энергию переменного тока нужной частоты.

Вспомогательное напряжение получают от маломощного генератора, называемого гетеродином. На выходе преобразователя получается колебание с новой преобразованной частотой, которую называют промежуточной частотой.

В качестве преобразователя частоты должен применяться нелинейный или параметрический прибор.

Если бы преобразователь частоты был линейным прибором, то в нем бы произошло бы просто сложение двух колебаний. Например, при сложении двух колебаний с близкими, но не кратными частотами получились бы биения, т. е. сложное колебание, у которого частота менялась бы в некоторых пределах около среднего значения, а амплитуда изменялась бы с частотой, равной разности частот. Такие биения не содержат составляющего колебания с новой частотой. Но если биения детектировать (выпрямить), то вследствие нелинейности этого процесса возникает составляющая с промежуточной частотой.

На выходе преобразователя частоты получается сложное колебание, имеющее составляющие многих частот.

Все новые частоты, представляющие собой комбинации частот и их гармоник, называются комбинационными частотами. Выбирая подходящую вспомогательную частоту, можно получить новую частоту.!

Среди новых частот содержатся и гармоники первоначальных колебаний с частотами в несколько раз больше исходных. Но их можно получить проще при нелинейном искажении одного из подводимых напряжений. Наличие двух напряжений для возникновения гармоник необязательно.

Как правило, амплитуды комбинационных колебаний (и гармоник) тем меньше, чем выше значения частот. Поэтому в большинстве случаев в качестве колебания новой промежуточной частоты используют колебание разностной частоты, а иногда суммарной. Комбинационные частоты более высокого порядка применяются редко.

Преобразование частоты в радиоприемниках в большинстве случаев осуществляется так, что при приеме сигналов различных радиостанций, работающих на разных частотах, создаются колебания одной и той же промежуточной частоты. Это позволяет получить большое усиление и высокую избирательность, причем они остаются почти постоянными во всем диапазоне частот принимаемых сигналов. Кроме того, при постоянной промежуточной частоте получается более устойчивая работа усилительных каскадов и они значительно проще по устройству, нежели каскады, рассчитанные на диапазон частот.

В радиоприемных и радиоизмерительных устройствах в качестве промежуточной чаще всего используется разностная частота, причем вспомогательная частота обычно выше преобразуемой частоты сигнала. Такое соотношение между частотами обязательно, если промежуточная частота должна быть выше частоты сигнала.

38. ЛАМПЫ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ

Для преобразования частоты применяют различные нелинейные или параметрические приборы. Например, в приемниках для дециметровых и сантиметровых волн в преобразователях частоты работают вакуумные или полупроводниковые диоды. Триоды используют для преобразования частоты вдиапазонахдециметровых и метровых волн.

Преобразование осуществляется следующим образом. К лампе подводят напряжение с частотами сигнала и вспомогательной частоты. Тогда анодный ток лампы пульсирует одновременно с этими частотами. Вследствие того что лампа является нелинейной, или параметрическим прибором, в ее анодном токе появляются составляющие с комбинационными частотами. На одну из них, обычно на разностную, настроен анодный колебательный контур. Он имеет большое сопротивление только для тока резонансной частоты и на нем получается усиленное напряжение только с промежуточной частотой. Таким образом, контур выделяет колебания промежуточной частоты.

В схемах преобразовательной частоты необходимо по возможности устранить связь между цепями приходящих сигналов и цепями гетеродина. Обычно в тех и других имеются колебательные контуры. При наличии связи между ними наблюдается влияние одного контура на другой, нарушение правильной их настройки, ухудшение стабильности частоты гетеродина и при отсутствии усилителя высокой частоты паразитное излучение колебаний гетеродина и при отсутствии усилителя высокой частоты паразитное излучение колебаний гетеродина через антенну приемника.

При использовании триода напряжения сигнала и гетеродина подаются в цепь сетки и это приводит к значительной связи между цепями сигнала и гетеродина. Подобный метод преобразования частоты называется односеточным.

Ослабление связи между цепями сигнала и гетеродина достигается при двухсеточном преобразовании частоты, которое можно осуществить с помощью пентода, если использовать его в качестве лампы с двойным управлением. В этом случае сложение колебаний сигнала и гетеродина происходит в электронном потоке внутри лампы вследствие того, что колебания поданы на различные сетки. Напряжение сигнала подводится к управляющей сетке, а напряжение гетеродина – к защитной сетке, которая используется как вторая управляющая. Если напряжение этой сетки остается значительно ниже минимального напряжения анода, то она по-прежнему работает и как защитная сетка. Экранирующая сетка почти полностью устраняет паразитную емкостную связь между цепями сигнала и гетеродина.

Лампу, в которой осуществляется преобразование частоты, иногда называют смесительной, так как в ней происходят сложения двух колебаний с различными частотами, а каскад, в котором работает эта лампа, называют смесителем. Таким образом, преобразование частоты состоит из смесителя и гетеродина, в каждом из которых должна работать своя лампа.

Многоэлектродные лампы с двойным управлением для преобразования частоты – гептоды – имеют две управляющие сетки и работают одновременно в смесителе и гетеродине, т. е. заменяют две лампы, они используются в приемниках средних и коротких волн, но на УКВ работают плохо.

Гептод имеет пять сеток. Достоинством гептодов является наличие защитной сетки, благодаря которой увеличивается внутреннее сопротивление лампы.

При работе гептодов на волнах короче 20 м стабильность частоты гетеродина оказывается недостаточной и приходится применять гетеродин с отдельной лампой, т. е. использовать гептод только в качестве смесительной, а не преобразовательной лампы. На этих волнах лучшие результаты в преобразователях частоты дают пентоды и триоды.

39. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ЛАМП С ДВОЙНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Все многосеточные лампы с двойным управлением имеют экранирующую сетку и подобны пентодам или тетродам, в которые добавлены еще сетки, образующие триодную (гетеродинную) часть. По своим характеристикам и параметрам эти лампы аналогичны пентодам и тетродам, а по характеристикам и параметрам триодной части – обычным триодам. Кроме того, лампы с двойным управлением имеют дополнительные характеристики и параметры, обусловленные наличием двух управляющих сеток.

Ток анода растет при изменении в положительную сторону напряжений обеих сеток. Крутизна по первой сетке тем больше, чем выше напряжение сетки. Если напряжение изменяется в положительную сторону, то понижается потенциальный барьер у катода и все большее количество электродов преодолевает этот барьер. Соответственно растут катодный ток, анодный ток и ток экранирующей сетки.

При изменении напряжения происходит изменение токораспределения между анодом и сеткой подобное тому, которое наблюдается в пентоде при изменении напряжения его защитной сетки.

Двойное управление анодным током сводится к тому, что изменение напряжения одной управляющей сетки изменяет крутизну характеристики по другой управляющей сетке. Вследствие изменения крутизны – основного параметра, характеризующего управляющее действие сетки, под влиянием напряжения другой управляющей сетки лампа является параметрическим прибором, пригодным для преобразования частоты.

Процесс преобразования частоты в лампе с двойным управлением можно пояснить с помощью семейства характеристик гептода. Так как анодный колебательный контур настроен на промежуточную частоту и на частотах сигнала и гетеродина имеет малое сопротивление, то для колебаний этих частот лампа практически работает в режиме без нагрузки и изменения анодного тока определяются из статических характеристик.

Важнейшим параметром, характеризующим часто-топреобразовательные лампы, является крутизна преобразования. Она представляет собой отношение амплитуды первой гармоники переменной составляющей промежуточной частоты, полученной в анодном токе, к амплитуде напряжения сигнала. При этом напряжения на экранирующих и защитной сетках и аноде постоянны.

Крутизна преобразования растет с увеличением амплитуды напряжения гетеродина.

Многие частотопреобразовательные лампы имеют удлиненные характеристики для осуществления автоматической регулировки усиления преобразовательного каскада. Но тогда при приеме сильных сигналов, т. е. при смещении рабочей точки на нижние нелинейные участки характеристики, резко возрастают амплитуды комбинационных колебаний, которые могут быть причинами помех в приемнике.

В современной аппаратуре используют комбинированные лампы, имеющие в одном баллоне две, а иногда три или четыре отдельные системы электродов. Применение таких ламп уменьшает габариты аппаратуры и упрощает монтаж. На схематических изображениях комбинированных ламп для упрощения часто показывают только один подогреватель и один катод. Во многих лампах, особенно предназначенных для высоких частот, ставят экраны, устраняющие паразитную емкостную связь между отдельными системами электродов.

Конструктивное выполнение электродов комбинированных ламп бывает различным. Часто встречаются отдельные электродные системы с экраном. В некоторых лампах делают общий катод, а электронные потоки, идущие от разных частей его поверхности, используются каждый в своей системе электродов. Возможна установка вдоль общего катода электродных систем с разделительными экранами.

40. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТИПЫ ПРИЕМНО-УСИЛИТЕЛЬНЫХ ЛАМП

Увеличение крутизны достигается уменьшением расстояния «сетка – катод» до нескольких десятков микрон. Но изготовление ламп с малым расстоянием «сетка – катод» сложно и недостаточно надежно, так как имеется опасность замыкания сетки с неровной поверхностью оксидного катода. Другим методом повышения крутизны является применение катодной сетки, расположенной между управляющей сеткой и катодом и имеющей некоторый положительный потенциал. Электроны, испускаемые катодом, ускоряются катодной сеткой, пролетают в ее просветы и создают на очень малом расстоянии от управляющей сетки область повышенной плотности объемного заряда и второй потенциальный барьер. На его высоту напряжение управляющей сетки влияет очень сильно. В результате управляющая сетка может весьма эффективно управлять электронным потоком.

Значительное повышение крутизны достигается в лампах со вторичной эмиссией. Исследования по применению вторичной эмиссии в лампах велись давно, но долго не удавалось сконструировать такие лампы, работающие устойчиво и создающие не слишком большие собственные шумы. Причина этих шумов – неравномерность процесса вторичной эмиссии. Найдены новые сплавы тяжелых металлов с легкими, например меди с бериллием, которые дают высокую и устойчивую вторичную эмиссии. При их использовании шумы снижаются, хотя они все же больше, чем в обычных лампах.

Лампы со вторичной эмиссией имеют дополнительный электрод – вторично-эмиссионный катод (динод). В него подается положительный потенциал, меньший, чем на анод. Первичные электроны, летящие с катода, ударяют во вторично-эмиссионный катод и выбивают из него вторичные электроны, которые летят к аноду, имеющему более высокий положительный потенциал. Поток вторичных электронов в несколько раз больше, чем поток вторичных электронов. Именно потому крутизна лампы получается высокой.

Ток вторично-эмиссионного катода незначительно меньше анодного тока и во внешней части цепи имеет направление, обратное анодному току. Крутизна лампы по току вторично-эмиссионного катода обычно незначительно меньше, чем крутизна по анодному току. Электроны анодного тока движутся по проводнику внешней части анодной цепи от анода, а электроны тока вторично-эмиссионного катода во внешней цепи движутся по направлению к этому катоду, так как внутри лампы от него уходит больше вторичных электронов, чем приходит к нему первичных.

При подаче на сетку переменного напряжения вследствие противоположности направлений токов анода и вторично-эмиссионного катода на нагрузочных резисторах, включенных в цепи этих электродов, получают усиленные переменные напряжения, находящиеся в противофазе.

Обычный каскад усиления переворачивает фазу напряжения. А в цепи вторично-эмиссионного катода получается усиленное напряжение, совпадающее по фазе с переменным напряжением сетки. Это свойство позволяет весьма просто осуществить положительную обратную связь между цепями вторично-эмиссионного катода и управляющей сетки для генерации колебаний различной формы, увеличения усиления, уменьшения ширины полосы частот пропускаемых колебаний и других целей.

Выпускаются сверхминиатюрные приемно-усили-тельные металлокерамические триоды и тетроды, называемые нувисторами. Они предназначены для усиления, генерирования и преобразования частоты. Они имеют миниатюрный металлокерамический баллон.

41. ВИДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ В ГАЗАХ

Различают самостоятельные и несамостоятельные разряды в газе. Самостоятельный разряд поддерживается за счет действия только электрического напряжения. Несамостоятельный разряд может существовать при условии, что, помимо электрического напряжения, действуют еще какие-либо внешние ионизирующие факторы. Ими могут быть лучи света, радиоактивное излучение, термоэлектронная эмиссия накаленного электрода и др. Рассмотрим основные виды электрических разрядов, встречающиеся в ионных приборах.

Темный (или тихий) разряд является несамостоятельным. Он характеризуется плотностями тока порядка микроампер на квадратный сантиметр и весьма малой плотностью объемных зарядов. Поле, созданное приложенным напряжением, при темном разряде практически не изменяется за счет объемных зарядов, т. е. их влиянием можно пренебречь. Свечение газа отсутствует. В ионных приборах для радиоэлектроники темный разряд не используется, но он предшествует началу других видов разряда.

Тлеющий разряд относится к самостоятельным. Для него характерно свечение газа, напоминающее свечение тлеющего тела. Плотность тока при этом разряде достигает единиц и десятков миллиампер на квадратный сантиметр и получаются объемные заряды, существенно влияющие на электрическое поле между электродами. Напряжение, необходимое для тлеющего разряда, составляет десятки или сотни вольт. Разряд поддерживается за счет электронной эмиссии катода под ударами ионов.

Основными приборами тлеющего разряда являются стабилитроны – ионные стабилизаторы напряжения, газосветные лампы, тиратроны тлеющего разряда, цифровые индикаторные лампы и декатроны – ионные счетные приборы.

Дуговой разряд получается при плотностях тока, значительно больших, чем в тлеющем разряде. К приборам несамостоятельного дугового разряда относятся газотроны и тиратроны с накаленным катодом; в ртутных вентилях (экзитронах) и игнитронах, имеющих жидкий ртутный катод, а также в газовых разрядниках происходит самостоятельный дуговой разряд.

Дуговой разряд может быть не только при пониженном, но и при нормальном или повышенном атмосферном давлении.

Искровой разряд имеет сходство с дуговым. Он представляет собой кратковременный (импульсный) электрический разряд при сравнительно высоком давлении газа, например при нормальном атмосферном. Обычно в искре наблюдается ряд импульсных разрядов, следующих друг за другом.

Высокочастотные разряды могут возникать в газе под действием переменного электромагнитного поля даже при отсутствии токоподводящих электродов (безэлектродный разряд).

Коронный разряд является самостоятельным и используется в ионных приборах для стабилизации напряжения. Он наблюдается при сравнительно больших давлениях газа в случаях, когда хотя бы один из электродов имеет очень малый радиус кривизны. Тогда поле между электродами получается неоднородным и около заостренного электрода, называемого коро-нирующим, напряженность поля резко увеличена. Коронный разряд возникает при напряжении порядка сотен или тысяч вольт и характеризуется малыми токами.

42. ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД

Рассмотрим тлеющий разряд между плоскими электродами. При отсутствии разряда, когда объемных разрядов нет, поле однородно и потенциал между электродами распределен по линейному закону. В электронном (вакуумном) приборе при наличии эмиссии существует отрицательный объемный заряд, создающий вблизи катода потенциальный барьер. Этот барьер препятствует получению большого анодного тока.

В ионном приборе с тлеющим разрядом за счет большого количества положительных ионов создается положительный объемный заряд. Он вызывает изменение потенциала в пространстве «анод – катод» в положительную сторону.

В ионном приборе распределение потенциала таково, что почти все анодное напряжение падает в тонком слое газа около катода. Эта область называется катодной частью разрядного промежутка. Ее толщина не зависит от расстояния между электродами.

Около катода создается сильное ускоряющее поле. Анод как бы приближается к катоду. Роль анода выполняет «нависшее» над катодом ионное облако с положительным зарядом. В результате действие отрицательного объемного заряда компенсируется и потенциального барьера около катода нет.

Вторая часть разрядного промежутка характеризуется небольшим падением напряжения. Напряженность поля в ней мала. Ее называют областью газовой, или электронно-ионной, плазмы. Из нее выделяют часть, прилегающую к аноду и вызываемую анодной частью разрядного промежутка, или областью анодного падения потенциала. Область между катодной и анодной частями называют столбом разряда. Анодная часть не имеет важного значения, и можно рассматривать столб разряда и анодную часть как одну область плазмы.

Плазма – это сильно ионизированный газ, в котором количество электронов и ионов практически одинаково. В плазме беспорядочное движение частиц преобладает над их направленным движением. Но все же электроны движутся к аноду, а ионы – к катоду.

Силы поля, действующие на электроны и ионы, одинаковы и лишь противоположны по направлению, так как заряды этих частиц равны, но обратны по знаку. Но масса иона в тысячи раз больше массы электрона. Поэтому ионы получают соответственно меньшие ускорения и приобретают относительно малые скорости. По сравнению с электронами ионы почти неподвижны. Следовательно, ток в ионных приборах практически является перемещением электронов. Доля ионного тока весьма мала и ее можно не принимать во внимание. Ионы выполняют свою задачу. Они создают положительный объемный заряд, который значительно превышает отрицательный объемный заряд и уничтожает потенциальный барьер около катода.

Область катодного напряжения играет важную роль. Проникшие из плазмы в эту область ионы получают здесь ускорение. Ударяя в катод с большой скоростью, ионы выбивают из него электроны. Этот процесс необходим для поддержания разряда. Если скорость ионов недостаточна, то электронной эмиссии не получится и разряд прекратится. Вылетевшие из катода электроны в области катодного падения также ускоряются и влетают в плазму со скоростью, значительно большей, чем необходимо для ионизации атомов газа. Электроны сталкиваются с атомами газа в различных частях плазмы. Поэтому ионизация проходит во всем объеме. В плазме совершается также и рекомбинация.

Только малая часть ионов, возникших в плазме, участвует в создании электронной эмиссии катода. Большинство ионов рекомбинирует с электронами и не доходит до катода.

43. СТАБИЛИТРОНЫ

Приборами тлеющего, или коронного, разряда являются стабилитроны. Наиболее широко распространены стабилитроны тлеющего разряда, работающие в режиме нормального катодного напряжения.

Поскольку темный разряд, предшествующий тлеющему разряду, не используется, не представляет интереса, его не показывают на вольт-амперной характеристике стабилитрона. Точку возникновения разряда показывают на вертикальной оси. Практически так и получается, потому что миллиамперметр для измерения тока тлеющего разряда не покажет ничтожно малого тока темного разряда.

Область нормального катодного падения, пригодная для стабилизации, ограничена минимальным и максимальным токами. При токе, меньшем минимального, разряд может прекратиться. Максимальный ток либо соответствует началу режима аномального катодного падения, либо при нем достигается предельный нагрев электродов.

Скачок тока при возникновении разряда может быть различным в зависимости от сопротивления резистора. Если оно большое, то появляется сравнительно небольшой ток, а если взять малое, то возникает большой ток. Для стабилизации это невыгодно, так как участок стабилизации напряжения сокращается. При малом сопротивлении может даже произойти скачок тока в область аномального катодного падения, и стабилизации вообще не получится. Таким образом, ограничительный резистор с достаточным сопротивлением необходим по двум причинам: чтобы не произошло чрезмерного возрастания тока (короткого замыкания) и чтобы мог существовать режим стабилизации напряжения.

Чем больше площадь катода, тем шире получается область стабилизации, так как минимальный ток остается неизменным, а максимальный ток возрастает пропорционально площади катода. Поэтому для стабилитронов характерен катод с большой поверхностью. Анод делают малых размеров, но он не должен перегреваться от максимального тока.

Наиболее распространены двухэлектродные стабилитроны тлеющего разряда с цилиндрическим катодом из никеля или стали. Анодом служит проволочка диаметром 1–1,5 мм. Баллон наполнен смесью инертных газов(неон, аргон, гелий) при давлении в десятки миллиметров ртутного столба.

Параметрами стабилитрона являются: нормальное рабочее напряжение или напряжение стабилизации, соответствующее средней точке области стабилизации, напряжение возникновения разряда, минимальный и максимальный ток, изменение напряжения стабилизации и внутреннее сопротивление переменному току. Применяя разные смеси газов, подбирают нужное значение напряжения стабилизации.

Для стабилитронов коронного разряда характерны высокие напряжения и малые токи. У таких стабилитронов электроды цилиндрической формы сделаны из никеля. Баллон наполнен водородом, причем напряжение стабилизации зависит от давления газа. Рабочие токи находятся в пределах 3-100 мкА. Внутреннее сопротивление переменному току этих стабилитронов составляет сотни килоом. Процесс возникновения разряда стабилитронов коронного разряда длится 15–30 с.

Стабилитроны наиболее часто работают в режиме, когда сопротивление нагрузки неизменно, а напряжение источника нестабильно.

Для стабилизации более высоких напряжений стабилитроны соединяют последовательно, обычно не более двух-трех. Они могут быть на разные напряжения, но на одинаковые минимальные и максимальные токи.

44. ГАЗОТРОНЫ

Газотроны – это ионные диоды с несамостоятельным дуговым разрядом, который поддерживается за счет термоэлектронной эмиссии катода. Назначением газотронов является выпрямление переменного тока. В настоящее время применяются газотроны с инертным газом в виде аргона или ксеноно-крипто-новой смеси при давлении порядка единиц миллиметров ртутного столба.

У большинства газотронов катод оксидный прямого или косвенного накала. В более мощных газотронах он имеет значительную поверхность. Анод в форме диска, полусферы или цилиндра имеет сравнительно небольшие размеры. Для газотронов характерно низкое напряжение накала, не более 5 В. Если применить более высокое напряжение, то может возникнуть дуговой разряд между концами подогревателя, на что будет бесполезно расходоваться энергия источника накала. При низком напряжении накала катоды мощных газотронов приходится питать большим током. Преимущество газотронов перед кенотронами заключается в малом падении напряжения на самом газотроне. Оно составляет примерно 15–20 В и почти не зависит от анодного тока. Поэтому КПД газотронных выпрямителей выше, чем кенотронных, и он тем больше, чем выше выпрямляемое напряжение. В высоковольтных выпрямителях на газотронах КПД бывает до 90 % и более.

До возникновения разряда в газотроне наблюдается электронный ток, который растет при увеличении напряжения так же, как в вакуумном диоде. Этот ток очень мал и практического значения не имеет.

Возникновение дугового разряда получается при напряжении, которое незначительно больше потенциала ионизации. Так как газотрон включается обязательно через ограничительный резистор, то после возникновения разряда появляется падение напряжения на резисторе и напряжение на газотроне несколько снижается.

При увеличении напряжения источника ток в газотроне растет, а падение напряжения на нем меняется незначительно, хотя не остается постоянным, как в стабилитронах. Об использовании газотрона для стабилизации не может быть и речи, так как невыгодно получать низкое напряжение при значительных затратах энергии на накал газотрона. Рабочее напряжение на газотроне такого же порядка, как потенциал ионизации, т. е. 15–25 В.

Относительное постоянство напряжения на газотроне получается не за счет режима катодного напряжения, характерного для приборов тлеющего разряда. В газотронах площадь катода не изменяется, но при возрастании тока сопротивление прибора постоянному току уменьшается, так как увеличиваются ионизация и соответственно количество электронов и ионов в единице объема. Кроме того, приближается к катоду положительный объемный заряд ионов, что равносильно уменьшению расстояния «анод – катод».

В газотроне распределение потенциала в пространстве «анод – катод» примерно такое же, как в приборах тлеющего разряда, но величина анодного напряжения меньше и около катода имеется потенциальный барьер, как в электронных лампах.

Катод в газотроне работает в тяжелых условиях вследствие бомбардировки его положительными ионами. Имея сравнительно большую массу, ионы разрушают оксидный слой, если их скорость превысит допустимое значение.

45. ТИРАТРОНЫ ДУГОВОГО РАЗРЯДА

Тиратроны с накаленным катодом, работающие подобно газотронам в режиме дугового разряда, используют для выпрямления переменного тока и как реле в автоматике, телеуправлении, импульсной технике, радиолокации и других областях.

По многим свойствам и по устройству тиратроны сходны с газотронами, но сетка позволяет управлять величиной напряжения возникновения разряда.

Сетка в тиратронах должна быть такой, чтобы разряд проходил только через нее, а не обходным путем. Поэтому сетка сама или в сочетании с тепловым экраном охватывает катод почти со всех сторон. Рабочая часть сетки делается с несколькими отверстиями, а остальная ее часть представляет собой экран. У некоторых тиратронов небольшой мощности конструкция электродов почти такая же, как у электронных ламп.

Катод и анод в тиратроне работают также, как в газотроне. Особенности работы и правило эксплуатации газотронов полностью относятся и к тиратронам.

Роль сетки в тиратроне заключается в том, чтобы при положительном напряжении анода держать тиратрон в запертом состоянии с помощью отрицательного напряжения сетки. А при уменьшении этого напряжения или повышении анодного напряжения возникает разряд, т. е. тиратрон отпирается. Чем больше отрицательное напряжение сетки, тем при более высоком анодном напряжении возникает разряд. Это объясняется тем, что при отрицательном сеточном напряжении в промежутке «сетка – катод» создается высокий потенциальный барьер для электронов, эмитированных катодом. Электроны не смогут преодолевать этот барьер и пролететь к аноду. Уменьшение отрицательного потенциала сетки или увеличение анодного напряжения понижает потенциальный барьер. Когда электроны начинают его преодолевать, то они движутся к аноду, набирают скорость, нужную для ионизации, процесс ионизации лавинообразно нарастает и возникает дуговой разряд.

Зависимость между анодным напряжением возникновения разряда и напряжением сетки показывает пусковая характеристика или характеристика зажигания. Она снимается с помощью такой же схемы, как и для исследования вакуумного триода, но с ограничительным резистором в анодной цепи. Удобнее снимать ее так. Для каждой точки сначала устанавливают анодное напряжение, равное нулю, и некоторое отрицательное напряжение сетки. Затем увеличивают анодное напряжение и замечают его значение при возникновении разряда. Далее понижают анодное напряжение до нуля, снимают следующую точку и т. д.

Пусковая характеристика показывает, что с увеличением отрицательного напряжения сетки повышается анодное напряжение, необходимое для возникновения разряда.

Пусковые характеристики при работе тиратрона с переменным напряжением несколько отличаются от статических пусковых характеристик, снятых на постоянном токе. Это объясняется тем, что при переменном напряжении влияет предразрядный (предпусковой)сеточный ток. Он возникает вследствие того, что во время отрицательного полупериода, когда тиратрон заперт, рекомбинация происходит не мгновенно и между электродами имеются электроны и ионы. Это служит причиной возникновения обратного анодного тока. Вместе с тем положительные ионы притягиваются к отрицательно заряженной сетке, образуя в ее цепи предразрядный ток. В образовании предразряд-ного тока может также играть роль термоэлектронная эмиссия сетки. Чем больше анодный ток и выше частота, тем сильнее предразрядный ток. Наличие такого тока облегчает зажигание тиратрона.

46. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ТРУБКИ

К электронно-лучевым приборам относятся электронно-лучевые трубки для осциллографии, приема телевизионных изображений и индикаторных устройств радиолокаторов, для передачи телевизионных изображений, запоминающие трубки для электронно-вычислительных машин, электронно-лучевые переключатели и другие приборы. Во всех этих приборах создается тонкий пучок электронов (луч), управляемый с помощью электрического или магнитного поля или обоими полями.

Трубки могут быть с фокусировкой электронного луча электрическим или магнитным полем и с электрическим или магнитным отклонением луча. В зависимости от цвета изображения на люминесцирующем экране бывают трубки с зеленым, оранжевым или желто-оранжевым свечением – для визуального наблюдения, синим – для фотографирования осциллограмм, белым или трехцветным – для приема телевизионных изображений.

Электронно-лучевые трубки с электростатическим управлением, т. е. с фокусировкой и отклонением луча электрическим полем, называемые для краткости электростатическими трубками, особенно широко применяют в осциллографах.

Баллон трубки имеет цилиндрическую форму с расширением в виде конуса, а иногда в виде цилиндра. На внутреннюю поверхность основания расширенной части нанесен люминесцирующий экран – слой веществ, способных давать свечение под ударами электронов. Внутри трубки расположены электроды, имеющие выводы на штырьки цоколя.

Катод обычно бывает оксидный косвенного накала в виде цилиндра с подогревателем. Вывод катода иногда совмещен с одним выводом подогревателя. Оксидный слой нанесен на донышко катода. Вокруг катода располагается управляющий электрод, называемый модулятором, цилиндрической формы с отверстием в донышке. Этот катод служит для управления плотностью электронного потока и для предварительной фокусировки его.

На модулятор подается отрицательное напряжение. С увеличением этого напряжения все больше электронов возвращается на катод. При некотором отрицательном напряжении модулятора трубка запирается.

Следующие электроды, также цилиндрической формы, являются анодами. В простейшем случае их только два. На втором аноде напряжение бывает от 500 В до нескольких киловольт, а на первом аноде напряжение в несколько раз меньше. Внутри анодов обычно имеются перегородки с отверстиями (диафрагмы).

Под действием ускоряющего поля анодов электроны приобретают значительную скорость. Окончательная фокусировка электронного потока осуществляются с помощью неоднородного электрического поля в пространстве между анодами, а также благодаря диафрагмам. Более сложные фокусирующие системы состоят из большего числа цилиндров.

Система, состоящая из катода, модулятора и анодов, называется электронным прожектором (электронной пушкой) и служит для создания электронного луча, т. е. тонкого потока электронов, летящих с большой скоростью от второго анода к люминесцирующе-муэкрану.

Отклонение электронного луча и светящегося пятна на экране пропорционально напряжению на отклоняющихся пластинах. Коэффициент пропорциональности в этой зависимости называется чувствительностью трубки.

47. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ЛАМП НА СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ

Лампы для средних и коротких волн работают неудовлетворительно на СВЧ, что объясняется следующими причинами.

Влияние междуэлектродных емкостей и индук-тивностей выводов. Емкости и индуктивности сильно влияют на работу ламп в диапазоне СВЧ. Они изменяют параметры колебательных систем, подключенных к лампе. В результате уменьшается собственная частота колебательных систем и становится невозможной настройка их на частоту выше некоторой предельной.

Для каждой лампы характерна некоторая предельная частота, которая соответствует резонансной частоте колебательного контура, получающегося при коротком замыкании выводов от электродов лампы.

Индуктивности выводов и междуэлектродные емкости, будучи включены в те или иные цепи лампы, создают нежелательные положительные или отрицательные обратные связи и фазовые сдвиги, ухудшающие работу схемы. Особенно сильно влияет индуктивность катодного вывода. Она входит одновременно в анодную и сеточную цепи и создает значительную обратную связь, вследствие которой изменяется режим работы и уменьшается входное сопротивление лампы, на которое нагружается источник усиливаемого переменного напряжения. Междуэлектродные емкости также способствуют уменьшению входного сопротивления лампы. Кроме того, эти емкости, имея на сверхвысоких частотах весьма небольшое сопротивление, могут вызывать в более мощных лампах появление значительных емкостных токов, нагревающих выводы от электродов и создающих дополнительные потери энергии.

Влияние инерции электронов. Вследствие того что электроны имеют массу, они не могут мгновенно изменять свою скорость и мгновенно пролетать расстояние между электродами. Лампа перестает быть безынерционным или малоинерционным прибором. На СВЧ проявляется инерция электронов. Инерция электронных процессов в лампе создает вредные фазовые сдвиги, искажает форму импульсов анодного тока и служит причиной возникновения значительных сеточных токов. В результате получаются резкое снижение входного сопротивления лампы, увеличение потерь энергии в лампе, а также уменьшение полезной мощности.

При рассмотрении работы ламп для упрощения считают, что ток в цепи какого-либо электрода образуется благодаря попаданию на этот электрод потока электронов, летящих внутри лампы. Такой поток электронов называется конвекционным током. Ток во внешней цепи любого электрода лампы представляет собой наведенный (индукционный) ток.

В электронных лампах роль движущегося индуктирующего заряда играет поток электронов, летящих от одного электрода к другому, т. е. конвекционный ток. Конвекционные токи внутри лампы всегда возбуждают наведенные токи во внешних проводах, соединенных с электродами лампы. Наведенный ток увеличивается при увеличении количества и скорости летящих электронов, а также при уменьшении расстояния между ними и данным электродом.

С помощью наведенного тока можно лучше понять преобразование энергии, происходящее при движении электронов в электрическом поле. Поток летящих внутри лампы электронов создает в цепи аккумуляторной батареи наведенный ток, направление которого совпадает с направлением конвекционного тока. В случае ускоряющего поля наведенный ток, проходящий через батарею, будет для нее разрядным током. Батарея разряжается, т. е. расходует свою энергию, которая с помощью электрического поля передается летящим электронам и увеличивает их кинетическую энергию. В тормозящем поле электроны движутся за счет своих начальных энергий. В этом случае наведенный ток, наоборот, будет для батареи зарядным током, т. е. электроны в тормозящем поле отдают свою энергию, которая накапливается в батарее.

48. ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ И ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ В ЛАМПАХ

Усилительный каскад характеризуется коэффициентом усиления по мощности К, показывающим, во сколько раз усиливается мощность: К= Рвых / Рвх, где Рвых-полезная мощность, отдаваемая лампой, а Рвх – мощность, подводимая ко входу лампы.

При малом значении входного сопротивления мощность может настолько возрасти, что коэффициент станет равен единице или будет еще меньше. Очевидно, нецелесообразно применять усилители, дающие усиление мощности меньше чем в 2–3 раза. С переходом на СВЧ входное сопротивление обычных ламп резко уменьшается и усиление мощности получается малым или даже отсутствует. Уменьшение входного сопротивления ламп на СВЧ объясняется возникновением наведенных токов в цепи сетки.

В зависимости от соотношения времени пролета и периода колебаний, соотношения расстояний участков «катод – сетка» и «сетка – анод» величины напряжений на электродах процессы в триоде могут происходить различно, но все же в любом случае из-за проявления инерции электронов на СВЧ получаются большие наведенные токи в цепи сетки, приводящие к резкому уменьшению входного сопротивления.

Самое неприятное следствие инерции электронных процессов состоит в появлении активной составляющей сеточного тока. Оно обусловливает наличие у лампы входного активного сопротивления, которое уменьшается с повышением частоты и снижает коэффициент усиления по мощности. Активное входное сопротивление лампы характеризует потерю энергии источника колебаний, включенного в цепь сетки. В данном случае эта энергия переносится активной составляющей наведенного тока от источника колебаний к электрическому полю и передается электронам, которые увеличивают свою кинетическую энергию и расходуют ее на нагрев анода. Если же 1 лампа работает на более низких частотах и временем пролета можно пренебречь, то при напряжении сетки токи будут иметь такую же прямоугольную форму и длительность, как и напряжение, и они не будут сдвинуты по времени относительно друг друга. Поскольку эти токи равны и противоположны по направлению, то суммарный сеточный ток равен нулю. Следовательно, никакого расхода энергии от источника колебаний в этом случае нет.

При синусоидальном переменном напряжении все процессы происходят сложнее, но на СВЧ обязательно возникнет активный наведенный ток в цепи сетки, на создание которого расходуется энергия источника колебаний. Эта энергия в конечном итоге теряется на дополнительный нагрев анода и катода конвекционным током. Действительно, положительная полуволна сеточного напряжения, ускоряя электроны, летящие от катода, дает им дополнительную энергию, а во время отрицательного полупериода сетки отталкивает электроны, движущиеся к аноду, и они тоже получают дополнительную энергию. В результате электроны бомбардируют с большей силой анод, который дополнительно нагревается. Кроме того, электроны, не пролетевшие сквозь сетку, а повернувшие обратно на катод, также отталкиваются сеткой во время отрицательного полупериода и получают еще дополнительную энергию. Эти электроны бомбардируют дополнительный катод и вызывают его дополнительный нагрев. Таким образом, источник колебаний в течение всего периода отдает энергию электронам, а они расходуют ее на бомбардировку анода и катода.

Потери энергии в лампах, работающих на СВЧ, происходят не только из-за инерции электронов, но и по ряду других причин.

Вследствие поверхностного эффекта увеличивается активное сопротивление электродов и их выводов. По поверхности металлических проводников проходят значительные токи, которые создают бесполезный нагрев.

На СВЧ увеличиваются потери во всех твердых диэлектриках, находящихся под воздействием переменного электрического поля.

49. ПРОЛЕТНЫЙ КЛИСТРОН

Для сантиметровых волн успешно применяются клистроны, работа которых основана на изменении скорости электронного потока.

В этих приборах значительное время полета электронов не вредно, а необходимо для нормальной работы прибора. Клистроны бывают пролетные (двух-резонаторные и многорезонаторные), пригодные для генерации и усиления колебаний, и отражательные (однорезонаторные), работающие только в качестве генераторов.

Электронный поток от катода к аноду проходит через две пары сеток, представляющих собой части стенок двух объемных резонаторов. Первый резонатор служит входным контуром. К нему с помощью коаксиальной линии и витка связи подводятся усиливаемые колебания с частотой. Его сетки образуют модулятор, в котором происходит модуляция скорости электронов.

Второй резонатор служит выходным контуром для усиления колебаний. Их энергия отбирается с помощью витка связи и коаксиальной линии. На оба резонатора и на анод подано положительное напряжение, создающее между сеткой и катодом ускоряющее поле, под влиянием которого электроны влетают в модулятор со значительной начальной скоростью.

Если в первый резонатор вводятся колебания, то между сетками существует переменное электрическое поле, которое действует на электронный поток и изменяет (модулирует) его скорость. В тот полупериод, когда на второй сетке имеется положительный, а на первой сетке отрицательный потенциалы, поле между сетками будет ускоряющим и электроны, проходящие модулятор, получают добавочную скорость.

Электроны, имеющие большие скорости, догоняют электроны, движущиеся с меньшими скоростями, в результате чего электронный поток разбивается на отдельные более плотные группы электронов – электронные сгустки. То есть благодаря модуляции электронного потока по скорости в пространстве группирования получается модуляция этого потока по плотности.

Группируются лишь электроны, пролетающие через модулятор во время одной половины периода. Хорошее группирование возможно только в случае, если изменение скорости электронов под влиянием модулирующего переменного поля незначительно по сравнению со скоростью, которую они получили от постоянного ускоряющего напряжения. Поэтому переменное напряжение между сетками резонатора должно быть значительно меньше, чем постоянное напряжение. Группирование электронов в сгусток повторяется в течение одной половины периода.

После точки наибольшего сгущения электронного потока электроны снова расходятся.

Электронные сгустки пролетают через второй резонатор тогда, когда электрическое поле в нем тормозящее. Пролетевшие второй резонатор электроны попадают на анод и нагревают его. Часть электронов попадает и на сетки резонаторов.

Если бы электронный поток не был модулированным, то он не мог бы поддерживать колебания во втором резонаторе.

Двухрезонаторные клистроны применяют в качестве усилителей в передатчиках СВЧ, причем их полезная мощность в режиме непрерывной работы может быть до десятков киловатт, а импульсный режим – до десятков мегаватт. При укорочении длины волны мощность передатчиков уменьшается.

Для усиления слабых сигналов в приемниках клистроны малопригодны, так как они создают большие собственные шумы.

50. ЛАМПЫ БЕГУЩЕЙ И ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ

Недостатки, свойственные клистрону, устраняются в лампе бегущей волны (ЛБВ). Усиление и КПД в ЛБВ могут быть значительно выше, чем в клистроне. Это объясняется тем, что электронный поток в ЛБВ взаимодействует с переменным электрическим полем на большом участке своего пути и отдает значительную часть своей энергии на создание усиленных колебаний. Электронный поток в ЛБВ гораздо слабее, чем в клистроне, и поэтому уровень шумов сравнительно невелик. Полоса частот может быть очень большой, так как в ЛБВ нет никаких колебательных систем. Ширина полосы частот ограничивается не самой лампой, а различными дополнительными устройствами, служащими для связи лампы с внешними цепями и для согласования отдельных элементов этих дополнительных устройств между собой. Лампы бегущей волны для частот порядка тысяч мегагерц имеют полосу частот пропускаемых колебаний порядка сотен мегагерц, что вполне достаточно для радиолокации и всех видов современной радиосвязи. ЛБВ устроены так. В левой части удлиненного баллона помещен электронный прожектор, имеющий подогревный катод, фокусирующий электрод и анод. Электронный луч, созданный электронным прожектором, проходит далее внутри проволочной спирали, играющей роль внутреннего провода коаксиальной линии. Наружным проводом этой линии служит металлическая трубка. Спираль укреплена на специальных изоляторах. Фокусирующая катушка, питаемая постоянным током, служит для сжатия электронного луча по всей его длине. Вместо катушки для фокусировки могут быть применены также постоянные магниты. Так как магнитные фокусирующие системы очень громоздки, то разработаны электростатические способы фокусировки электронного луча в ЛБВ, т. е. фокусировка с помощью электрического поля.

В ЛБВ для более коротких сантиметровых волн спираль заменяют замедляющими системами других типов, так как трудно изготовить спираль очень малых размеров. Эти замедляющие системы представляют собой волноводы сложной зигзагообразной конструкции или имеющие стенки в виде гребенок. Вдоль таких волноводов электронный луч пропускается по прямой линии, а электромагнитная волна распространяется с пониженной скоростью. Подобные замедляющие системы применяют также в мощных ЛБВ, так как спираль не может выдержать рассеяния в ней большой мощности.

Принципы работы ЛБВ послужили основой для создания лампы обратной волны (ЛОВ), которую иногда также называют карцинотроном. Эта лампа в отличие от ЛБВ предназначена только для генерирования сантиметровых и более коротких волн. В ЛОВ применяют также волноводные замедляющие системы, как и в ЛБВ, но волна и электронный луч движутся навстречу друг другу. Первоначальные слабые колебания в ЛОВ получаются от флуктуаций электронного потока, затем они усиливаются и возникает генерация. Путем изменения постоянного напряжения, создающего электронный луч, можно в очень широком диапазоне частот осуществлять электронную настройку ЛОВ. Созданы маломощные ЛОВ на частоты в десятки тысяч мегагерц, имеющие полезную мощность генерируемых колебаний до десятков долей ватта при КПД порядка единиц процентов. Для частот до 10 000 МГц разработаны ЛОВ с полезной мощностью в десятки киловатт при непрерывном режиме работы и в сотни киловатт при импульсном режиме.

Генераторные ЛОВ малой и средней мощности с прямолинейным электронным лучом называют кар-цинотронами типа 0. Для больших мощностей применяют ЛОВ, называемые карцинотронами типа М, в которых электронный луч под действием магнитного поля движется по окружности. Замедляющая система в этих лампах располагается по окружности, а поперечное магнитное поле создается постоянным магнитом так же, как и в магнетроне.

51. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСТВЕ И ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕОРИИ

Долгое время существовало мнение о том, что атомы являются первичными, неразложимыми и неизменными частями всех тел природы, откуда и произошло название «атом», что по-гречески значит «неделимый». В конце IX в., пропуская электрический ток высокого напряжения через трубку с сильно разреженным газом, физики заметили зеленоватое свечение стекла трубки, вызванное действием невидимых лучей. Светящееся пятно располагалось против электрода, соединенного с отрицательным полюсом источника тока (катода). Поэтому лучи получили название катодных. Под действием магнитного поля светящееся пятно смещалось в сторону. Катодные лучи вели себя так же, как проводник с током в магнитном поле. Смещение зеленоватого пятна происходило также под влиянием электрического поля, причем положительно заряженное тело притягивало лучи, отрицательно заряженное тело отталкивало их. Это навело на мысль, что сами катодные лучи представляют собой поток отрицательных частиц – электронов.

Различие между диэлектриками и проводниками классическая физика видит в том, что в диэлектрике все электроны прочно удерживаются около ядра атома. В проводниках же, наоборот, связь между электронами и ядром атома сильна и имеется большое количество свободных электронов, упорядоченное движение которых вызывает электрический ток. Классическая физика допускает любые значения энергии атома, а изменение энергии атома считает происходящим непрерывно сколь угодно малыми порциями. Однако изучение оптических спектров элементов и явлений, связанных со взаимодействием атомов с электронами, указывает на непрерывистый характер внутренней энергии атомов. Атомная и молекулярная физика доказывают, что энергия атома не может быть любой и принимает только вполне определенные значения, характерные для каждого атома. Возможные значения внутренней энергии атома называются энергетическими или квантовыми уровнями. Уровни энергии, которыми не может обладать атом, называются запретными уровнями.

Имеется целый ряд элементарных частиц: протоны и нейтроны, положительный и отрицательный мезоны, электроны, позитроны, нейтрино и антипротоны.

Электрические явления были известны людям очень давно (натирание янтаря сукном). Тела, способные проводить электрические заряды, называются электрическими проводниками. Тела, очень плохо проводящие электричество, называются непроводниками, изоляторами или диэлектриками.

Было замечено, что наэлектризованные тела притягиваются одно к другому или отталкиваются одно от другого. В результате электризации различных тел получаются два рода электричества. Условно один вид электричества назвали положительным, а другой отрицательным. Следовательно, тела, заряженные одноименным электричеством, взаимно отталкиваются, заряженные разноименным электричеством – притягиваются.

Электричеством называется свойство материи (особая форма движения материи), имеющее двойственную природу и выявляющееся в элементарных частицах вещества (положительное электричество – в протонах, позитронах и мезонах, отрицательное – в электронах, антипротонах или мезонах).

52. ЗАКОН КУЛОНА. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

Два наэлектризованных тела действуют одно на другое с силой, пропорциональной величине заряда или количеству электричества на этих телах и обратно пропорционально квадрату расстояния между телами, если собственные размеры этих тел малы по сравнению с расстоянием между ними. Эта зависимость силы взаимодействия от величины зарядов и расстояния межу ними была установлена опытным путем физиком Кулоном. Позднейшие исследования показали, что сила взаимодействия между зарядами зависит также от среды, в которой находятся заряды.

Опыты привели Кулона к установлению следующего закона: два физических точечных заряда q1 и q2, находясь в однородной среде с относительной электрической проницаемостью е на расстоянии r, действует один на другой с силой F, пропорциональной произведению этих зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. физически точечными заряды называются в том случае, если собственные размеры их малы по сравнению с расстоянием между ними. формула Кулона имеет вид: F =(q1q2)/(4??·?0r 2), где ?0=8,85 · 10–12Ф/м – электрическая проницаемость пустоты. ? – относительная электрическая проницаемость. Она показывает, во сколько раз при прочих равных условиях сила взаимодействия двух зарядов в какой-либо среде меньше, чем в пустоте. Относительная электрическая проницаемость – безразмерная величина.

Оценка интенсивности электрического поля производится по механическим силам, с которыми поле действует на заряженные тела. Так как по закону Кулона сила взаимодействия между зарядами в данной среде зависит от величины зарядов и расстояния между ними, то за количественную меру поля принимают механическую силу, с которой поле в данный момент пространства действует на единичный положительный заряд, помещенный в эту точку. Эта величина называется напряженностью электрического поля и обозначается Е. Согласно определению Е=F/q. Приравнивая единице один из зарядов в формуле Кулона, получим выражение для напряженности поля Е в точке, удаленной на расстоянии rот физического точечного заряда: Е = q/(4???0r2), а для пустоты, у которой относительная электрическая проницаемость равна единице: Е = q/(4??0r 2).

Единица измерения напряженности – В/м.

Электрическое поле, напряженность которого в разных точках пространства одинакова по величине и по направлению, называется однородным полем.

При изучении различных физических явлений приходится встречаться со скалярными и векторными величинами.

Положительный электрический заряд, внесенный в поле положительно заряженного тела шарообразной формы, удаленного от других зарядов, будет отталкиваться по прямой линии, являющейся продолжением радиуса заряженного тела. Помещая электрический заряд в различные точки поля заряженного шара и отмечая траектории движения заряда под действием его электрических сил, получаем ряд радикальных прямых, расходящихся во все стороны. Эти воображаемые линии, по которым стремится двигаться положительный, лишенный инерции заряд, внесенный в электрическое поле, называются электрическими силовыми линиями. В электрическом поле можно провести любое число силовых линий. С помощью графических линий можно графически изобразить не только направление, но и напряженности электрического поля в данной точке.

Количество электричества, приходящееся на единицу поверхности заряженного тела, называется поверхностной плотностью электрического заряда. Она зависит от количества электричества на теле, а также от формы поверхности проводника.

53. ПРОВОДНИК И ДИЭЛЕКТРИК В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

Если незаряженный изолированный проводник внести в электрическое поле, то в результате действия электрических сил поля в проводнике происходит разделение электрических зарядов. Свободные электроны проводника придут в движение в направлении, противоположном направлению электрического поля. В результате на конце проводника, обращенном к заряженному шару, окажется избыток электронов, обусловливающий отрицательный заряд этого конца, а на другом конце проводника окажется недостаток электронов, обусловливающий положительный заряд этой части проводника.

Разделение зарядов на проводнике под влиянием заряженного тела называется электризацией через влияние, или электростатической индукцией, а заряды на проводнике – индуцированными зарядами. По мере приближения проводника к заряженному шару количество индуцированных зарядов на проводнике увеличивается. Электрическое поле заряженного шара изменяется, как только в нем окажется проводник. Электрические силовые линии шара, расходившиеся ранее равномерно и радикально, теперь изогнутся в сторону проводника. Так как началами и концами электрических силовых линий являются электрические заряды, лежащие на поверхности проводников, то, начинаясь у поверхности с положительными зарядами, силовая линия кончается у поверхности с отрицательными зарядами. Внутри проводника электрическое поле существовать не может. В противном случае между отдельными точками проводника существовала бы разность потенциалов, в проводнике происходило бы движение зарядов (ток проводимости) и до тех пор, пока вследствие перераспределения зарядов потенциалы всех точек проводника не стали бы равными.

Этим пользуются, кода хотят оградить проводник от влияния внешних электрических полей. Для этого проводник окружают другим проводником, выполненным в виде сплошной металлической поверхности или проволочной сетки с мелкими отверстиями. Индуцированные заряды, образовавшиеся на проводнике в результате влияния на него заряженного поля, можно отделить один от другого, если разломить проводник пополам.

Диэлектрик отличается от проводника отсутствием свободных электронов. Электроны атомов диэлектрика прочно связаны с ядром атома.

Диэлектрик, внесенный в электрическое поле, так же как и проводник, электризуется через влияние. Однако между электризацией проводника и диэлектрика имеется существенная разность. Если в проводнике под влиянием сил электрического поля свободные электроны передвигаются по всему объему проводника, то в диэлектрике свободного перемещения электрических зарядов произойти не может. Но в пределах одной молекулы диэлектрика возникает смещение положительного заряда вдоль направления электрического поля и отрицательного заряда в обратном направлении. В результате влияния заряженного тела на поверхности диэлектрика возникнут электрические заряды. Это явление называется поляризациейдиэлектрика. Различают диэлектрики двух классов. 1. Молекула в нейтральном состоянии имеет положительный и отрицательный заряды, настолько близко расположенные один к другому, что действие их взаимно компенсируется. Под влиянием электрического поля положительные и отрицательные заряды в пределах молекулы несколько смещаются один относительно другого, образуя диполь. 2. Молекулы и в отсутствии электрического поля образуют диполи. Такие диэлектрики называют полярными.

Необходимость правильного выбора величины напряженности электрического поля в диэлектрике привела к созданию теории электрической прочности, имеющей важное значение для современной техники высоких напряжений.

54. ГЛАВНЕЙШИЕ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Асбест – минерал, имеющий волокнистое строение. Длина волокна – от десяти долей миллиметра до нескольких сантиметров. Из асбеста изготовляют пряжу, ленту, ткани, бумагу, картон и др. Ценным качеством является его высокая нагревостойкость. Нагрев до 300–400° не меняет свойств асбеста. Благодаря низкой теплопроводности асбест применяют в качестве тепловой изоляции при высоких температурах. Асбест обладает гигроскопичностью, которая уменьшается при пропитке его смолами, битумами и т. п. Электроизоляционные свойства асбеста невысоки. Поэтому он не применяется при высоких напряжениях.

Канифоль – хрупкая смола светло-желтого или коричневого цвета, получаемая путем обработки смолы хвойных деревьев. Канифоль растворяется в нефтяных маслах, жидких углеводородах, растительных маслах, спирте, скипидаре. Температура размягчения канифоли 50–70 °C. Употребляют для приготовления пропиточных и заливочных масс.

Парафин – воскообразное вещество, полученное из нефти. Хорошо очищенный парафин – кристаллическое вещество белого цвета. Применяется для пропитки дерева, бумаги, волокнистых веществ, для заливки высокочастотных катушек и трансформаторов, для приготовления изолирующих составов.

Слюда – минерал кристаллического строения. Благодаря своему строению легко расщепляется на отдельные листочки. Обладает высокой электрической прочностью, высокой нагревостойкостью, влагостойкостью, механической прочностью и гибкостью. Применяют два вида слюды: мусковит и флогопит, различающиеся по составу, цвету и свойствам. Лучшей слюдой является мусковит. Из листочков слюды штампуют прямоугольные пластинки для конденсато– ров, шайбы для электрических приборов и т. п.

Текстолит – пластмасса, представляющая собой многослойную ткань, пропитанную резольной смолой и спрессованную под большим давлением при 150″. Положительные качества: малая хрупкость, высокие механические качества, стойкость к истиранию. Отрицательные качества: плохие электрические свойства, малая влагостойкость, более дорогой по цене.

Фибра изготавливается из пористой бумаги, обработанной раствором хлористого цинка. Хорошо поддается механической обработке. Большим недостатком является ее гигроскопичность. фибра разъедается кислотами и щелочами. Из нее изготовляют мелкие детали, прокладки, каркасы катушек. Тонкая фибра называется летероидом.

Церезин получают путем очистки воскообразного минерала – озокерита или петролатума. Имеет повышенную температуру плавления (65–80°) и повышенную стойкость против окисления. Применяют для пропитки бумажных конденсаторов, приготовления изолирующих составов и др.

Шеллак – природная смола тропических растений, температура его плавления 100–200°. Имеет вид желтоватых или коричневых чешуек, легко растворяется в спирте. Применяется для приготовления заливочных масс, изоляционных и клеящих лаков, пропитки изоляционных лент.

Шифер – сланец, имеет слоистое строение. Негигроскопичен, легко поддается механической обработке. Идет на изготовление панелей, щитков для рубильников и т. п.

Эбонит (твердая резина) получается из каучука путем добавки в него 20–50 % серы. Выпускается в виде листов (досок), палок и трубок, хорошо поддается механической обработке. Применяется в технике слабых токов, в эбонитовые трубки протаскиваются провода при проходе сквозь стены и при скрытой проводке.

55. ПОНЯТИЕ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ТОКЕ. ЗАКОН ОМА

Движение электронов по проводнику называется электрическим током. В электротехнике условно принято считать направление тока противоположным направлению движения электронов в проводнике. Иначе говоря, направление тока принято считать совпадающим с направлением движения положительных зарядов. Электроны не проходят в своем движении всю длину проводника. Наоборот, они пробегают очень небольшие расстояния до столкновения с другими электронами, атомами или молекулами. Это расстояние называется длиной свободного пробега электронов. Электрический ток непосредственно наблюдать нельзя. О прохождении тока можно только судить по тем действиям, которые он производит. Признаки, по которым легко судить о наличии тока:

1) ток, проходя через растворы солей, щелочей, кислот, а также через расплавленные соли, разлагает их на составные части;

2) проводник, по которому проходит электрический ток, нагревается;

3) электрическийток, проходя по проводнику, создает вокруг него магнитное поле.

Простейшая электрическая установка состоит из источника (гальванического элемента, аккумулятора, генератора и т. п.), потребителей или приемников электрической энергии (ламп накаливания, электронагревательных приборов, электродвигателей и т. п.) и соединительных проводов, соединяющих зажимы источника напряжения с зажимами потребителя.

Ток, не изменяющийся по величине и по направлению, называется постоянным током. Постоянный электрический ток может протекать только по замкнутой электрической цепи. Разрыв цепи в любом месте вызывает прекращение электрического тока. Постоянный ток дают гальванические элементы, аккумуляторы, генераторы постоянного тока, если условия работы электрической цепи не меняются.

Через поперечное сечение проводника проходит заряд за определенное время. Сила тока, прошедшего через поперечное сечение проводника в течение времени, равна: I = q/t. Отношение величины тока I к площади поперечного сечения проводника З называется плотностью тока и обозначается ?. ?= I/S; плотность тока измеряется в А/м2.

При замыкании электрической цепи, на зажимах которой имеется разность потенциалов, возникает электрический ток. Свободные электроны под влиянием электрических сил поля перемещаются вдоль проводника. В своем движении электроны наталкиваются на атомы проводника и отдают им запас своей кинетической энергии. Скорость движения электронов непрерывно изменяется: при столкновении электронов с атомами, молекулами и другими электронами она уменьшается, потом под действием электрического поля увеличивается и снова уменьшается при новом столкновении. В результате этого в проводнике устанавливается равномерное движение потока электронов со скоростью нескольких долей сантиметра в секунду. Следовательно, электроны, проходя по проводнику, всегда встречают с его стороны сопротивление своему движению. При прохождении электрического тока через проводник последний нагревается.

Электрическим сопротивлением R проводника называется свойство тела или среды превращать электрическую энергию в тепловую при прохождении по нему электрического тока. R = ?·l/S, где ?-удельное сопротивление проводника, l– длина проводника.

Ток на участке цепи прямо пропорционален напряжению на этом участке и обратно пропорционален сопротивлению того же участка. Эта зависимость известна под названием закона Ома и выражается формулой: I = U/R. Ток проходит не только по внешней части цепи, но и по внутренней. ЭДС (E) источника идет на покрытие внутренних и внешних потерь напряжения в цепи. Закон Ома для всей цепи: I = E/(R+r), где R– сопротивление внешней части цепи, r– сопротивление внутренней части цепи.

56. СОЕДИНЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ МЕЖДУ СОБОЙ. ПЕРВЫЙ ЗАКОН КИРХГОФА

Отдельные проводники электрической цепи могут быть соединены между собой последовательно, параллельно и смешанно.

Последовательным соединением проводников называется такое соединение, когда конец первого проводника соединен с началом второго, конец второго проводника соединен с началом третьего и т. д. Общее сопротивление цепи, состоящее из нескольких последовательно соединенных проводников, равно сумме сопротивлений отдельных проводников: R = R1 + R2+ R3+ . +R||. Ток на отдельных участках последовательной цепи одинаков: I1 = I2= I3=I. Падение напряжения пропорционально сопротивлению данного участка. Общее напряжение цепи равно сумме падений напряжения на отдельных участках цепи: и = и1+ U2+ U3.

Параллельным соединением проводников называется такое сопротивление, когда начала всех проводников соединены в одну точку, а концы проводников – в другую точку. Начало цепи присоединяется к одному полюсу источника напряжения, а конец цепи – к другому полюсу.

При параллельном соединении проводников для прохождения тока имеется несколько путей. Ток, протекая к точке разветвления, растекается далее по трем сопротивлениям и равен сумме токов, уходящих от этой точки: I= I1+ I2+ I3.

Если токи, приходящие к точке разветвления, считать положительными, а уходящие – отрицательными, то для точки разветвления можно написать: ?Iк = 0 (k принимает значения от 1 до n), т. е. алгебраическая сумма токов для любой узловой точки цепи всегда равно нулю. Это соотношение, связывающее токи в любой точке разветвления цепи, называется первым законом Кирхгофа. Обычно при расчете электрических цепей направления токов в ветвях, присоединенных к какой-либо точке разветвления, неизвестны. Поэтому для возможности самой записи уравнения первого закона Кирхгофа нужно перед началом расчета цепи произвольно выбрать так называемые положительные направления токов во всех ее ветвях и обозначить их стрелками на схеме.

Пользуясь законом Ома, можно вывести формулу для подсчета общего сопротивления при параллельном соединении потребителей.

Общий ток, приходящий к точке, равен: I = U/R. Токи в каждой из ветвей имеют значения: I1 = U1 /R1; I2= U2 /R2; I3= U3 /R3.

По первому закону Кирхгофа I = I1+I2+I3 или U /R= U /R1+U /R2+U /R3.

Вынося U в правой части равенства за скобки, получим: U/R = U(1/R1 + 1 /R2+ 1/R3).

Сокращая обе части равенства на U, получим формулу подсчета общей проводимости: 1 /R=1/R1+1/r2+ 1/R3.

Таким образом, при параллельном соединении увеличивается не сопротивление, а проводимость.

При подсчете общего сопротивления разветвления оно получается всегда меньше, чем самое меньшее сопротивление, входящее в разветвление.

Если сопротивления, включенные параллельно, равны между собой, то общее сопротивление Rрав-но сопротивлению одной ветви R1, деленному на число ветвей п: R=R1/п.

Смешанным соединением проводников называется такое соединение, где имеются и последовательное, и параллельное соединения отдельных проводников.

57. ВТОРОЙ ЗАКОН КИРХГОФА. МЕТОД НАЛОЖЕНИЯ

При расчете электрических цепей часто приходится встречаться с цепями, которые образуют замкнутыеконтуры. В состав таких контуров, помимо сопротивлений, могут входить еще электродвижущие силы. Рассмотрим участок сложной электрической цепи. Задана полярность всех ЭДС.

Произвольно выбираем положительные направления токов. Обходим контур от точки А в произвольном направлении, например, по часовой стрелке. Рассмотрим участок АБ. На этом участке происходит падение потенциала (ток идет от точки с высшим потенциалом к точке с низшим потенциалом).

На участке АБ: ?А + E1 – I1R1=?Б.

На участке БВ: ?Б – E2 – I2R2 = ?В.

На участке ВГ: ?В = I3R3 + E3 = ?Г.

На участке ГА: ?Г – I4R4 = ?А.

Складывая почленно четыре приведенных уравнения, получим:

?А + E1– I1R1 + ?Б – E2 – I2R2 + ?В – I3R3 + E3 + ?Г– I4R4 – ?Б + ?В + ?Г + ?А или E1 – I1R1 – E2 – I2R2 – I3R3 + E3 – I4R4 = 0.

Перенеся произведение I-R в правую часть, получим: Ё1 – Ё2 + Ё3 = I1R1 + I2R2 + I3R3 + I4R4.

Это выражение представляет собой второй закон Кирхгофа. Формула показывает, что во всяком замкнутом контуре алгебраическая сумма электродвижущих сил равна алгебраической сумме падений напряжений.

Метод наложения применяется для расчета электрических цепей, имеющих несколько ЭДС. Сущность метода наложения состоит в том, что ток в какой-либо части цепи можно считать состоящим из ряда частичных токов, вызванных каждой отдельной ЭДС, причем остальные ЭДС принимаются равными нулю.

В задачах встречаются цепи, имеющие всего две узловые точки. Между узловыми точками может быть включено произвольнее количество ветвей. Расчет таких цепей значительно упрощается Ё, если пользоваться методом узлового напряжения.

и = (Ё1д1 + Ё2д2+ Ё3д3) /(д1 + д2+ д3+ д4).

В числителе формулы узлового напряжения представлена алгебраическая сумма произведений ЭДС ветвей. В знаменателе формулы дана сумма прово-димостей всех ветвей. Если ЭДС какой-либо ветви имеет направление, обратное тому, которое указано на схеме, то она входит в формулу для узлового напряжения со знаком минус.

Метод контурных токов применяется для расчета сложных электрических цепей, имеющих больше двух узловых токов. Сущность метода заключается в предположении, что в каждом контуре проходит свой ток. Тогда на общих участках, расположенных на границе двух соседних контуров, будет протекать ток, равный алгебраической сумме токов этих контуров.

58. ЭЛЕКТРОЛИЗ. ПЕРВЫЙ И ВТОРОЙ ЗАКОНЫ ФАРАДЕЯ

Ток, проходя по жидким проводникам, разлагает их на составные части. Поэтому жидкие проводники называют электролитами. Разложение электролитов под действием электрического тока называется электролизом. Электролиз проводят в гальванических ваннах. Гальваническая ванна представляет собой сосуд, куда налита жидкость – электролит, подвергающаяся разложению током.

В сосуд с электролитом опускают две пластины (например, угольные), которые будут являться электродами. Присоединим отрицательный полюс источника постоянного тока к одному электроду (катоду), а положительный полюс – к другому электроду (аноду) и замкнем цепь. Явление электролиза будет сопровождаться выделением вещества на электродах. При электролизе водород и металлы всегда выделяются на катоде. Отсюда следует, что происхождение тока по жидким проводникам связано с движением атомов вещества.

Нейтральная молекула вещества, попадая в растворитель, распадается (диссоциируется) на части – ионы, несущие на себе равные и противоположные электрические заряды. Это объясняется тем, что сила взаимодействия между зарядами, помещенными в среду с электрической проницаемостью е, уменьшается в е раз. Поэтому силы, связывающие молекулу вещества, находящуюся в растворителе с большой электрической проницаемостью, ослабевают и достаточно тепловых соударов молекул, чтобы они начали делиться на ионы,т. е. диссоциировать.

Наряду с диссоциацией молекул в растворе происходит обратный процесс – воссоединение ионов в нейтральные молекулы (молизация).

Кислоты диссоциируют на положительно заряженные ионы водорода и отрицательно заряженные ионы кислотного остатка. Щелочи диссоциируют на ионы металла и ионы водного остатка. Соли диссоциируют на ионы металла и ионы кислотного остатка.

Если приложить к электродам постоянное напряжение, то между электродами образуется электрическое поле. Положительно заряженные ионы будут двигаться по направлению к катоду, отрицательно заряженные ионы – к аноду. Достигая электродов, ионы нейтрализуются.

Явление электролиза с количественной и качественной стороны исследовано фарадеем. Им установлено, что количество вещества, выделяющегося при электролизе на электродах, пропорционально току и времени его прохождения, или, иначе говоря – количеству вещества, протекшего через электролит. Это первый закон фарадея.

Один и тот же ток, проходя одинаковое время через различные электролиты, выделяет на электродах различное количество вещества. Количества вещества в миллиграммах, выделяемое на электроде током в 1А в течение 1с, называется электрохимическим эквивалентом и обозначается б. Первый закон Фарадея выражается формулой: m=a/t.

Химическим эквивалентом (m) вещества называется отношение атомного веса (А) к валентности (n): m = А/n. Второй закон Фарадея показывает, от каких свойств вещества зависит величина его электрохимического эквивалента.

Электролиз нашел широкое применение в технике. 1. Покрытие металлов слоем другого металла при помощи электролиза (гальваностегия). 2. Получение копий с предметов при помощи электролиза (гальванопластика). 3. Рафинирование (очистка) металлов.

59. АККУМУЛЯТОРЫ

Для питания цепей управления, приборов защиты, сигнализации, автоматики, аварийного освещения, приводов и держащих катушек быстродействующих выключателей, вспомогательных механизмов на электрических станциях и подстанциях должен находиться такой источник электрической энергии, работа которого не зависела бы от состояния основных агрегатов электростанции или подстанции. Этот источник энергии обязан обеспечить бесперебойную и четкую работу указанных цепей как при нормальной работе установки, так и при аварии. Таким источником энергии на электростанциях и подстанциях является аккумуляторная батарея. Своевременно заряженная батарея, обладающая большой емкостью, может питать токоприемники в течение всего времени аварии.

Аккумуляторы применяются также для освещения автомобилей, железнодорожных вагонов, движения электрокар и подводных лодок, для питания радиоустановок и различных приборов, в лабораториях и для других целей.

Аккумулятор является вторичным источником электрического напряжения, так как он в отличие от гальванических элементов может отдавать энергию лишь после предварительного заряда. Заряд аккумулятора состоит в том, что его подключают к источнику постоянного напряжения. В результате процесса электролиза химическое состояние пластин аккумулятора меняется и между ними устанавливается определенная разность потенциалов.

Аккумуляторная батарея комплектуется из некоторого количества свинцово-кислотных или щелочных аккумуляторов.

Свинцово-кислотный аккумулятор состоит из нескольких положительных и отрицательных пластин, опущенных в сосуд с электролитом. Электролитом служит раствор серной кислоты в дистиллированной воде. Пластины аккумулятора бывают поверхностные и массовые. Поверхностные пластины изготовляются из чистого свинца. Для увеличения площади поверхности пластин их делают ребристыми.

Массовые пластины представляют собой свинцовую решетку, в ячейки которой вмазывают окислы свинца. Для предупреждения выпадания массы из ячеек пластинку с обеих сторон покрывают свинцовыми листами с отверстиями. Обычно положительную пластину аккумулятора изготовляют поверхностной, а отрицательную – массовой. Отдельные положительные пластины, так же как и отрицательные пластины, спаиваются в два изолированных один от другого блока. Для того чтобы положительные пластины могли работать с двух сторон, их берут на одну больше, чем отрицательных.

Щелочные аккумуляторы бывают двух типов: кад-миево-никелевые и железоникелевые.

Пластины щелочных аккумуляторов представляют собой стальные никелированные рамки с ячейками, в которые помещают пакетики из тонкой никелированной перфорированной стали. В пакетики запрессовывается активная масса.

Сосудом щелочных аккумуляторов служит стальная сваренная коробка, в крышке которой имеются три отверстия: два для вывода зажимов и одно для заливки электролита и выхода газов. Преимущества: не употребляется дефицитный свинец; обладают большой выносливостью и механической прочностью; при длительном воздействии несут малые потери на саморазряд и не портятся; выделяют меньшее количество вредных газов и испарений; имеют меньший вес. Недостатки: меньшая ЭДС; более низкий КПД; более высокая стоимость.

60. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ

Лампа накаливания была изобретена русским ученым А.Н. Лодыгиным и впервые демонстрировалась им еще в 1873 г.

Принцип действия лампы накаливания основан на сильном нагревании проводника (нити накаливания) при прохождении по нему электрического тока. При этом проводник начинает испускать, кроме тепловой, еще и световую энергию. Чтобы нить накала не перегорала, ее нужно переместить в стеклянную колбу, из которой выкачан воздух. Так устроены так называемые пустотные лампы. Первоначально в качестве нити накаливания применялась угольная нить, полученная прокаливанием растительных волокон. Лампы с такой нитью излучали слабый, желтоватый свет, потребляя мощность. Угольная нить, накаливаясь до температуры 1700о, постепенно выгорала, что приводило к сравнительно быстрой гибели лампы. Сейчас лампы с угольной нитью вышли из употребления.

Теперь в лампах накаливания вместо угольной нити употребляют нить, приготовленную из тугоплавких металлов осмия или вольфрама. Вольфрамовая нить, накаливаясь в пустотных лампах до 2200о, испуская более яркий свет, потребляет меньшую мощность, чем угольная нить.

Выгорание нити накаливания уменьшается, если стеклянную колбу (баллон) лампы наполнить газом, не поддерживающим горения, например азотом или аргоном. Такие лампы получили название газополных. Температура нити при работе такой лампы достигает2800°.

Наша промышленность выпускает осветительные лампы накаливания на напряжение 36, 110, 127 и 220 В. Для специальных целей лампы изготовляют и на другие напряжения.

Лампы накаливания имеют очень низкий коэффициент полезного действия. В них превращается в световую энергию только около 4–5% всей потребляемой лампой электрической энергии; остальная энергия превращается в тепло.

В настоящее время получили широкое распространение газосветные лампы. В них использовано свойство разреженных газов светиться при прохождении через них электрического тока. Свет, излучаемый газосветной лампой, зависит от природы газа. Неон дает красно-оранжевый, аргон – сине-фиолетовый, гелий – желтовато-розовый свет. Питание газосветных ламп осуществляется переменным током высокого напряжения, получаемого при помощи трансформаторов. Эти лампы нашли себе применение для устройства вывесок, реклам, иллюминации.

Наша промышленность выпускает также лампы, в стеклянных трубках которых находятся разреженные ртутные пары. Пропусканием тока через них можно заставить пары слабо светиться.

Внутренняя поверхность трубки лампы покрыта специальным составом – люминофором, светящимся под действием свечения ртутных паров. Эти лампы получили название люминесцентных ламп.

В настоящее время выпускают три вида люминесцентных ламп: лампы дневного света, применяемые для освещения мест, где необходимо различие цветов, – полиграфическая, хлопчатобумажная промышленность и т. п.; лампы белого света для освещения производственных, конторских и жилых помещений; лампы тепло-белого света для освещения музеев, театров и картинных галерей. КПД люминесцентных ламп в четыре раза больше, чем обычных ламп накаливания.

61. ЭЛЕКТРОСВАРКА

Электросварка бывает двух видов:

1) дуговая;

2) электросварка методом сопротивления. Дуговая электросварка изобретена русским инженером Н.Н. Бенардосом в 1882 г.

При дуговой электросварке используют тепло, выделяемое электрической дугой. При сварке по способу Бенардоса один полюс источника напряжения присоединяют к угольному стержню, а другой полюс – к деталям, которые необходимо сварить. В пламя электрической дуги вводится тонкий металлический стержень, который плавится, и капли расплавленного металла, стекая на детали и застывая, образуют сварочный шов.

В 1891 г. русский инженер Н.Г. Славянов предложил другой способ дуговой электросварки, который и получил наибольшее распространение. Электросварка по способу Славянова состоит в следующем. Угольный стержень заменен металлическим электродом. Плавится сам электрод, и расплавленный металл, застывая, соединяет свариваемые детали. По использовании электрода его заменяют новым.

Прежде чем сваривать деталь, ее нужно тщательно очистить от ржавчины, окалины, масла, грязи с помощью зубила, напильника, шкурки.

Для создания устойчивой дуги и получения прочного шва металлические электроды обмазывают специальными составами. Такая обмазка во время плавления электрода также плавится и, заливая сильно нагретые поверхности свариваемых деталей, не дает им окисляться.

Электросварка методом сопротивления. Если сложить вплотную два куска металла и пропустить по ним сильный электрический ток, то за счет выделения тепла в месте касания кусков (ввиду большого переходного сопротивления) последние прогреваются до высокой температуры и свариваются.

В настоящее время электросварка, как дуговая, так и методом сопротивления, прочно вошла в промышленность и получила очень широкое распространение. Сваривают листовую и угловую сталь, балки и рельсы, мачты и трубы, фермы и котлы, суда и т. д. Сваркой выполняют новые и ремонтируют старые детали из стали, чугуна и цветных металлов.

Разработаны новые методы применения электросварки: подводная электросварка; автоматическая сварка; сварка с помощью переменного тока (аппарат имеет особую деталь – осциллятор, назначение которого заключается в том, чтобы вырабатывать переменный ток высокого напряжения и очень высокой частоты, что обеспечивает устойчивое горение дуги при сварке тонких и толстых металлических деталей).

При замыкании и размыкании рубильником или выключателем электрических цепей, а также замыкании и размыкании контактов приборов и аппаратов электрическая искра, возникающая между контактами, и нередко следующая за ней электрическая дуга плавят металл, и контакты обгорают или свариваются, нарушая работу установки. Это явление называется электрической эрозией. Искра при своем появлении как бы «грызет» металл. Для борьбы с искрой иногда между контактами параллельно искровому промежутку включают конденсатор определенной емкости.

Инженеры Б.Р. Лазаренко и И.Н. Лазаренко использовали свойство электрической искры «грызть металл» в сконструированной ими электроэрозионной установке. Работа установки в основном состоит в следующем. К металлическому стержню подводится один провод от источника напряжения. Другой провод присоединяется к обрабатываемой детали, находящейся в масле. Металлический стержень заставляют вибрировать. Электрическая искра, возникающая между стержнем и деталью, «грызет» деталь, проделывая в ней отверстие, одинаковое с формой сечения стержня (шестигранное, квадратное, треугольное и т. д.).

62. ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

Магнитным полем называется одна из двух сторон электромагнитного поля, возбуждаемая электрическими зарядами движущихся частиц и изменением электрического поля и характеризующаяся силовым воздействием на движущиеся заряженные частицы, а стало быть, и на электрические токи.

Направление магнитных индукционных линий меняется с изменением направления тока в проводнике. Магнитные индукционные линии вокруг проводника обладают следующими свойствами:

1) магнитные индукционные линии прямолинейного проводника имеют форму концентрических окружностей;

2) чем ближе к проводнику, тем гуще располагаются магнитные индукционные линии;

3) магнитная индукция (интенсивность поля)зависит от величины тока в проводнике;

4) направление магнитных индукционных линий зависит от направления тока в проводнике. Направление магнитных индукционных линий вокруг проводника с током можно определить по «правилу буравчика». Если буравчик (штопор) с правой резьбой будет двигаться поступательно по направлению тока, то направление вращения ручки будет совпадать с направлением магнитных индукционных линий вокруг проводника.

Магнитное поле характеризуется вектором магнитной индукции, который имеет определенную величину и определенное направление в пространстве.

Линия, касательная к каждой точке которой совпадает с направлением вектора магнитной индукции, называется линией магнитной индукции, или магнитной индукционной линией.

Произведение магнитной индукции на величину площадки, перпендикулярной направлению поля (вектору магнитной индукции), называется потоком вектора магнитной индукции или просто магнитным потоком и обозначается буквой Ф: Ф = BS.Единица измерения – вебер (Вб).

Соленоидом называется проводник, свитый спиралью, по которому пропущен электрический ток. Для определения полюсов соленоида пользуются «правилом буравчика», применяя его следующим образом: если расположить буравчик вдоль оси соленоида и вращать его по направлению тока в витках соленоида, то поступательное движение буравчика покажет направление магнитного поля.

Соленоид, внутри которого находится стальной (железный) сердечник, называется электромагнитом. Магнитное поле у электромагнита сильнее, чем у соленоида, так как кусок стали, вложенный в соленоид, намагничивается и результирующее магнитное поле усиливается. Полюсы у электромагнита можно определить, так же как у соленоида, по «правилу буравчика».

Магнитный поток соленоида (электромагнита) увеличивается с увеличением числа витков и тока в нем. Намагничивающая сила зависит от произведения тока на число витков.

Увеличить магнитный поток соленоида можно следующими путями:

1) вложить в соленоид стальной сердечник, превратив его в электромагнит;

2) увеличить сечение стального сердечника электромагнита (так как при данных токе, напряженности магнитного поля, и, стало быть, магнитной индукции увеличение сечения ведет к росту магнитного потока);

3) уменьшить воздушный зазор электромагнита (так как при уменьшении пути магнитных линий по воздуху уменьшается магнитное сопротивление).

63. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ

Явление ЭДС в контуре при пересечении его магнитным полем называется электромагнитной индукцией и было открыто английским физиком М. Фа-радеем в 1831 г.

Проводник, по которому течет электрический ток, окружен магнитным полем. Если изменять величину или направление тока в проводнике или размыкать и замыкать электрическую цепь, питающую проводник током, то магнитное поле, окружающее проводник, будет изменяться. Изменяясь, магнитное поле проводника пересекает этот же самый проводник и наводит в нем ЭДС. Это явление называется самоиндукцией. Сама индуктированная ЭДС называется ЭДС самоиндукции.

Индуктированная ЭДС возникает в следующих случаях.

1. Когда движущийся проводник пересекает неподвижное магнитное поле или, наоборот, перемещающееся магнитное поле пересекает неподвижный проводник; или когда проводник и магнитное поле, двигаясь в пространстве, перемещаются относительно другого.

2. Когда переменное магнитное поле одного проводника, действуя на другой проводник, индуктирует в нем ЭДС.

3. Когда изменяющееся магнитное поле проводника индуктирует в нем самом ЭДС (самоиндукция).

Для определения индуктированной ЭДС в проводнике служит «правило правой руки»: если мысленно расположить правую руку в магнитном поле вдоль проводника так, чтобы магнитные линии, выходящие из северного полюса, входили в ладонь, а большой отогнутый палец совпадал с направлением движения проводника, то четыре вытянутых пальца будут показывать направление индуктированной эДс в проводнике.

Величина индуктированной ЭДС в проводнике за’ висит:

1) от величины индукции магнитного поля, так как чем гуще расположены магнитные индукционные линии, тем большее число их пересечет проводник за единицу времени;

2) от скорости движения проводника в магнитном поле, так как при большой скорости движения проводник может пересечь больше индукционных линий в единицу времени;

3) от рабочей (находящейся в магнитном поле) длины проводника, так как длинный проводник может больше пересечь индукционных линий в единицу времени;

4) от величины синуса угла между направлением движения проводника и направлением магнитного поля.

В 1834 г. русский академик Э.Х. Ленц дал универсальное правило для определения направления индуктированной ЭДС в проводнике. Это правило, известное как правило Ленца, формулируется так: направление индуктированной ЭДС всегда одинаково, что вызванный ею ток и его магнитное поле имеют такое направление, что стремятся препятствовать причине, порождающей эту индуктированную ЭДС.

Токи, которые индуктируются в металлических телах при пересечении их магнитными линиями, называются вихревыми токами, или токами Фуко.

Для уменьшения потерь на вихревые токи якори генераторов, электрических двигателей и сердечники трансформаторов собирают из отдельных тонких (0,35-0,5 мм) штампованных листов мягкой стали, расположенных по направлению линий магнитного потока и изолированных один от другого лаком или тонкой бумагой. Это делается для того, чтобы вследствие малого поперечного сечения каждого стального листка уменьшить величину проходящего через него магнитного потока, а стало быть, уменьшить индуктируемые в нем ЭДС и ток.

Вихревые токи бывают полезны. Эти токи используют для закалки стальных изделий токами высокой частоты в работе индукционных электроизмерительных приборов, счетчиков и реле переменного тока.

64. ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Пусть имеется однородное магнитное поле, образованное между полюсами электромагнита. Внутри поля под действием посторонней силы вращается по окружности в сторону движения часовой стрелки металлический прямолинейный проводник. Пересечение проводников магнитных линий приведет к появлению в проводнике индуктированной ЭДС. Величина этой ЭДС зависит от величины магнитной индукции, активной длины проводника, скорости пересечения проводником магнитных линий и синуса угла между направлением движения проводника и направлением магнитного поля. ?= Bl?sin?.

Разложим окружную скорость на две составляющие – нормальную и тангенциальную по отношению к направлению магнитной индукции. Нормальная составляющая скорости обусловливает наводимую ЭДС индукции и равна:

?n = ?sin?.Тангенциальная составляющая скорости не принимает участия в создании индуктированной ЭДС и равна: ?t = ?cos?.

При движении проводник будет занимать различные положения. За один полный оборот проводника ЭДС в нем сначала увеличивается от нуля до максимального значения, затем уменьшается до нуля и, изменив свое направление, вновь увеличивается до максимального значения и вновь уменьшается до нуля. При дальнейшем движении проводника изменения ЭДС будут повторяться.

Во внешней цепи будет протекать изменяющийся по величине и направлению ток. Такой ток называется переменным в отличие от постоянного, который дают гальванические элементы и аккумуляторы.

Переменная ЭДС и переменный ток периодически меняют свои направления и величину. Значение переменной величины (тока, напряжения и ЭДС) в рассматриваемый момент времени называется мгновенным значением. Наибольшее из мгновенных значений переменной величины называется ее максимальным, или амплитудным, значением и обозначается Im, Um.

Промежуток времени, по истечении которого изменения переменной величины повторяются, называется периодом Т (измеряется в секундах). Число периодов в единицу времени называется частотой переменного тока и обозначается v (измеряется в герцах). В технике применяют токи различной частоты. Стандартная промышленная частота в России -50 Гц.

ЭДС в проводнике индуктируется по закону синуса. Такая ЭДС называется синусоидальной.

Переменный синусоидальный ток в течение периода имеет различные мгновенные значения. Действия тока не определяются ни амплитудным, ни мгновенным значениями. Для оценки действия, производимого переменным током, сравним его с тепловым эффектом постоянного тока. Мощность постоянного тока, проходящего через сопротивление, будет С = I2R.

Зависимость между действующими и амплитудными значениями силы тока и напряжения переменного тока имеет вид:

Im = I?2, Um = U?2.

Действующее значение переменного тока равно такому постоянному току, который, проходя через то же сопротивление, что и переменный ток, за то же время выделяет такое же количество энергии.

65. ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Рассмотрим цепь, состоящую из сопротивления R. Влиянием индуктивности и емкости для простоты пренебрегаем. К зажимам цепи приложено синусоидальное напряжение u = Umsin?t. По закону Ома мгновенное значение тока будет равно: i = u/r =(Um / r)sin?t = Im sin?t.

Формула мощности для цепи переменного тока с активным сопротивлением такая же, как формула мощности для цепи постоянного тока: P=I2R.Активным сопротивлением обладают все проводники. В цепи переменного тока практически только одним активным сопротивлением обладают нити ламп накаливания, спирали электронагревательных приборов и реостатов, дуговые лампы и прямолинейные проводники большой длины.

Рассмотрим цепь переменного тока, содержащую катушку с индуктивностью L без стального сердечника. Для простоты будем считать, что активное сопротивление катушки очень мало и им можно пренебречь.

С наибольшей скоростью изменяется ток около своих нулевых значений. Около максимальных значений скорость изменения тока падает, а при максимальном значении тока прирост его равен нулю. Таким образом, переменный ток меняется не только по величине и направлению, но также и по скорости своего изменения. Переменный ток, проходя по виткам катушки, создает переменное магнитное поле. Магнитные линии этого поля, пересекая витки своей же катушки, индуктируют в них ЭДС самоиндукции. Так как индуктивность катушки в нашем случае остается неизменной, ЭДС самоиндукции будет зависеть только от скорости изменения тока. Наибольшая скорость изменения тока имеет место около нулевых значений тока. Следовательно, наибольшее значение ЭДС самоиндукции имеет в те же моменты.

В начальный момент времени ток резко и быстро увеличивается от нуля, а поэтому имеет отрицательное максимальное значение. Так как ток увеличивается, то ЭДС самоиндукции по правилу Ленца должна препятствовать изменению тока. Поэтому ЭДС самоиндукции при возрастании тока будет иметь направление, обратное току. Скорость изменения тока по мере приближения его к максимуму уменьшается. Поэтому ЭДС самоиндукции также уменьшается, пока, наконец, при максимуме тока, когда изменения его будут равны нулю, она не станет равной нулю.

Переменный ток, достигнув максимума, начинает убывать. По правилу Ленца ЭДС самоиндукции будет мешать току убывать и, направленная уже в сторону протекания тока, будет его поддерживать.

При дальнейшем изменении переменный ток быстро убывает до нуля. Резкое уменьшение тока в катушке повлечет за собой также быстрое уменьшение магнитного поля и в результате пересечения магнитными линиями витков катушки в них будет индуктироваться наибольшая ЭДС самоиндукции.

Так как ЭДС самоиндукции в цепях переменного тока непрерывно противодействует изменениям тока, то, чтобы дать возможность току протекать по виткам катушки, напряжение сети должно уравновешивать ЭДС самоиндукции. То есть напряжение сети в каждый момент времени должно быть равно и противоположно ЭДС самоиндукции.

Величина XL = ?L называется индуктивным сопротивлением, которое представляет собой своеобразное препятствие, которое оказывает цепь изменениям тока в ней.

Величина XC = 1/(?C) называется емкостным сопротивлением, которое, как и индуктивное сопротивление, зависит, от частоты переменного тока.

66. КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР

Рассмотрим случай получения переменного тока посредством разряда конденсатора на катушку.

Заряженный конденсатор обладает запасом электрической энергии. При замыкании на катушку он начнет разряжаться и запас электрической энергии в нем будет уменьшаться. Ток разряда конденсатора, проходя по виткам катушки, создает магнитное поле. Следовательно, катушка начнет запасать магнитную энергию. Когда конденсатор полностью разрядится, его электрическая энергия станет равной нулю. В этот момент катушка будет обладать максимальным запасом магнитной энергии. Теперь сама катушка становится генератором электрического тока и начнет перезаряжать конденсатор. ЭДС самоиндукции, возникающая в катушке в период нарастания магнитного поля, препятствовала нарастанию тока. Теперь же, когда магнитное поле катушки будет уменьшаться, ЭДС самоиндукции стремится поддерживать ток в прежнем направлении. В момент, когда магнитная энергия катушки станет равной нулю, обкладки конденсатора окажутся заряженными противоположно тому, как они были заряжены вначале, и если сопротивление цепи равно нулю, то конденсатор получит первоначальный запас электрической энергии. Затем конденсатор получит первоначальный запас электрической энергии. Затем конденсатор вновь начнет разряжаться, создавая в цепи ток обратного направления, и процесс будет повторяться.

Попеременные превращения электрической энергии в магнитную и обратно составляют основу процесса электромагнитных колебаний. Цепь, состоящая из емкости и индуктивности, в которой происходит процесс электромагнитных колебаний, называется колебательным контуром.

Периодические колебания энергии, происходящие в колебательном контуре, могли бы продолжаться бесконечно долго в виде незатухающих колебаний, если бы отсутствовали потери в самом колебательном контуре. Однако наличие активного сопротивления приводит к тому, что запас энергии контура с каждым периодом уменьшается за счет потерь на тепло в активном сопротивлении, в результате чего колебания затухают.

Период электромагнитных колебаний, происходящих в колебательном контуре без сопротивления, определяется формулой Томсона.

Изменить время периода колебаний контура можно двумя способами – изменением индуктивности катушки или емкости конденсатора. Тот и другой способы используются для этой цели в радиотехнике.

Колебательный контур является необходимой принадлежностью каждого радиоприемника и радиопередатчика.

Принцип радиопередачи заключается в следующем. В антенне передающей радиостанции при помощи ламповых генераторов создаются электромагнитные колебания. Амплитуда колебаний зависит от ряда факторов и в том числе от величины тока, протекающего в цепи микрофона, принимающего звуковые колебания, обусловленные речью или музыкой.

Изменения колебаний высокой частоты с помощью звуковых колебаний называются модуляцией.

Радиосвязь впервые была осуществлена выдающимся русским ученым А.С. Поповым (1859–1905).

67. ТРЕХФАЗНЫЙ ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК

Многофазной системой называется совокупность переменных ЭДС одной частоты и сдвинутых по фазе одна относительно другой на какие-либо углы.

Каждая ЭДС может действовать в своей самостоятельной цепи и не быть связанной с другими ЭДС. Такая система называется несвязанной.

Недостатком несвязанной многофазной системы является большое число проводов, равное 2m.Так, например, для передачи энергии по трехфазной системе потребуется шесть проводов. Многофазная система, у которой отдельные фазы электрически соединены одна с другой, называется связанной многофазной системой.

Многофазный ток обладает важными преимуществами:

1) при передаче одной и той же мощности многофазным током требуется меньшее сечение проводов, чем при однофазном токе;

2) с помощью неподвижных катушек или обмоток он создает вращающееся магнитное поле, используемое в работе двигателей и различных приборов переменного тока.

Из систем многофазного тока наибольшее применение на практике получил трехфазный переменный ток.

Получается он следующим образом. Если в однородном магнитном поле полюсов поместить три витка, расположив каждый из них по отношению к другому под углом 120°, и вращать витки с постоянной угловой скоростью, то в витках будут индуктироваться ЭДС, которые также будут сдвинуты по фазе 120°.

На практике для получения трехфазного тока на статоре генератора переменного тока делают три обмотки, сдвинутые одна относительно другой на 120°.

Они называются фазными обмотками или просто фазами генератора.

Несвязанная система трехфазного тока на практике не применяется.

Фазные обмотки генераторов и потребителей трехфазного тока соединяются по схеме звездой или треугольником.

Если фазные обмотки генератора или потребителя соединить так, чтобы концы обмоток были замкнуты в одну общую точку, а начала обмоток подключены к линейным проводам, то такое соединение называется звездой. При соединении звездой линейное напряжение в V3 раз больше фазного напряжения. При неравномерной нагрузке фазные напряжения потребителя различны по величине, причем величина фазного напряжения пропорциональна сопротивлению фазы. Смещение нулевой точки потребителя, происходящее в результате неравномерной нагрузки, приводит к нежелательному явлению в осветительных сетях. Чем больше будет число и мощность ламп, включенных в фазе, тем меньше будет их сопротивление, тем меньше будет их фазное напряжение, тем слабее они будут гореть.

Кроме соединения звездой, генераторы или потребители трехфазного тока могут включаться треугольником.

При равномерной нагрузке, соединенной треугольником, линейный ток в V3 раз больше фазного тока.

В двигателях и других потребителях трехфазного тока в большинстве случаев выводят все шесть концов трех обмоток, которые по желанию можно соединять либо звездой, либо треугольником. Обычно к трехфазной машине крепится доска из изоляционного материала (клеммная доска), на которую и выводят все шесть концов.

Мощность трехфазной системы можно рассчитать по формуле: P = ?3· IUcos ?.

68. ТРАНСФОРМАТОРЫ

В 1876 г. П.И. Яблочков предложил пользоваться трансформатором для питания свечей. В дальнейшем конструкции трансформаторов разрабатывал другой русский изобретатель, механик И.Ф. Усагин, который предложил применять трансформаторы для питания не только свечей Яблочкова, но и других потребителей электрической энергии.

Трансформатор представляет собой электрический аппарат, основанный на явлении взаимоиндукции и предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения, но той же самой частоты. Простейший трансформатор имеет стальной сердечник и две обмотки, изолированные как от сердечника, так и друг от друга.

Обмотка трансформатора, которая подключается к источнику напряжения, называется первичной обмоткой, а та обмотка, к которой подключаются потребители или линии передач, ведущие к потребителям, называется вторичной обмоткой.

Переменный ток, проходя по первичной обмотке, создает переменный магнитный поток, который сцепляется с витками вторичной обмотки и наводит в них ЭДС.

Так как магнитный поток переменный, то индуктированная ЭДС во вторичной обмотке трансформатора также переменная и частота ее равна частоте тока в первичной обмотке.

Переменный магнитный поток, проходящий по сердечнику трансформатора, пересекает не только вторичную обмотку, но и первичную обмотку трансформатора. Поэтому в первичной обмотке также будут индуктироваться ЭДС.

Величины ЭДС, индуктирующихся в обмотках трансформатора, зависят от частоты переменного тока, числа витков каждой обмотки и величины магнитного потока в сердечнике. При определенной частоте и неизменном магнитном потоке величина ЭДС каждой обмотки зависит только от числа витков этой обмотки. Эту зависимость между величинами ЭДС и числами витков обмоток трансформатора можно выразить формулой: ?1 / ?2 = N1 / N2, где ?1 и ?2 – ЭДС первичной и вторичной обмоток, N1 и N2 – числа витков первичной и вторичной обмоток.

Разница между ЭДС и напряжением так мала, что зависимость между напряжениями и числами витков обеих обмоток можно выразить формулой: U1 / U2 = = N1 /N2. Разница между ЭДС и напряжением в первичной обмотке трансформатора становится особенно малой тогда, когда вторичная обмотка разомкнута и ток в ней равен нулю (холостая работа), а в первичной обмотке протекает только небольшой ток, называемый током холостого хода. При этом напряжение на зажимах вторичной обмотки равно наводимой в ней ЭДС.

Число, показывающее, во сколько раз напряжение в первичной обмотке больше (или меньше) напряжения во вторичной обмотке, называется коэффициентом трансформации и обозначается буквой k. k = U1 / U2 ? N1 / N2.

Номинальное напряжение обмоток высшего и низшего напряжений, указанное на заводском щитке трансформатора, относится к режиму холостого хода.

Трансформаторы, которые служат для повышения напряжения, называют повышающими; коэффициент трансформации у них меньше единицы. Понижающие трансформаторы понижают напряжение; коэффициент трансформации у них больше единицы.

Режим, при котором вторичная обмотка трансформатора разомкнута, а на зажимы первичной обмотки подано переменное напряжение, называется холостым ходом или холостой работой трансформатора.

69. УСТРОЙСТВО И ТИПЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Сердечник (магнитопровод) трансформатора образует замкнутый для магнитного потока контур и изготовляется из листовой электротехнической (трансформаторной) стали толщиной 0,5 и 0,35 мм. Электротехническая сталь представляет собой сталь, в состав которой входит 4–4,8 % кремния по весу. Присутствие кремния улучшает магнитные свойства стали и увеличивает ее удельное сопротивление вихревым токам. Отдельные листы стали для изоляции их один от другого покрывают слоем лака, после чего стягивают болтами, пропущенными в изолирующих втулках. Такое устройство применяют для уменьшения вихревых токов, индуктируемых в стали переменным магнитным потоком. Части магнитопровода, на которые надевается обмотка, называются стержнями. Стержни соединяются верхним и нижним ярмом.

По конструкции магнитопровода различают два типа трансформаторов: стержневые и броневые. У трансформатора стержневого типа обмотки охватывают стержни магнитопровода; у трансформаторов броневого типа магнитопровод, наоборот, как «броней», охватывает обмотки. В случае неисправности в обмотке броневого трансформатора ее неудобно осматривать и трудно ремонтировать. Поэтому наибольшее распространение получили трансформаторы стержневого типа.

Обмотка трансформатора выполнятся из изолированной круглой или прямоугольной меди. На стержень магнитопровода предварительно надевают изолирующий (обычно картонный, пропитанный бакелитовым лаком) цилиндр, на котором помещают обмотку низшего напряжения. Расположение обмотки низшего напряжения ближе к стержню объясняется тем, что ее проще изолировать от стального стержня, чем обмотку высшего напряжения.

На наложенную обмотку низшего напряжения надевают другой изолирующий цилиндр, на который поме’ щают обмотку высшего напряжения.

Такие трансформаторы называют двухобмоточны-ми. Встречаются трансформаторы, у которых на фазу приходится одна первичная и две вторичные обмотки. Первичная обмотка является обмоткой высшего напряжения. Вторичные обмотки в зависимости от величины напряжения на их зажимах называются: одна – обмоткой среднего напряжения и другая – обмоткой низшего напряжения. Такие трансформаторы называют трехобмоточными.

Для трансформации трехфазного тока можно пользоваться однофазными трансформаторами. Если объединить сталь трех сердечников в один общий сердечник, мы получим сердечник трехфазного трансформатора. Затраты трансформаторной стали на трехфазный трансформатор значительно меньше, чем на устройство трех однофазных трансформаторов.

Если мощность, нужная для трансформации, больше мощности одного трансформатора, то в этом случае несколько трансформаторов включается на параллельную работу.

Для включения на параллельную работу однофазных трансформаторов необходимо выполнить следующие условия.

1. Напряжения первичных и вторичных обмоток параллельно включаемых трансформаторов должны быть равны. В этом случае коэффициенты трансформации трансформаторов окажутся также равными.

2. Равенство напряжений короткого замыкания.

3. Включение одинаковыми фазами со стороны высшего и низшего напряжений.

Автотрансформатор представляет собой такой трансформатор, на сердечнике которого имеется только одна обмотка. К различным точкам этой обмотки присоединены одновременно и первичная, и вторичная цепи. Магнитный поток автотрансформатора индуктирует электрическую силу в обмотке. Эта электродвижущая сила почти равна подводимому напряжению.

70. АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Асинхронной машиной называется машина переменного тока, у которой скорость вращения ротора меньше скорости вращения магнитного поля статора и зависит от нагрузки. Асинхронная машина, как и другие электрические машины, обладает свойством обратимости, т. е. она может работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора.

Трехфазный асинхронный двигатель был изобретен русским инженером М.О. Доливо-Добровольским в 1890 г. и с тех пор, подвергаясь усовершенствованиям, прочно занял свое место в промышленности и получил массовое распространение во всех странах мира.

Асинхронный двигатель имеет две основные части – статор и ротор. Статором называется неподвижная часть машины. С внутренней стороны статора сделаны пазы, куда укладывается трехфазная обмотка, питаемая трехфазным переменным током. Вращающаяся часть машины называется ротором, в пазах его также уложена обмотка. Статор и ротор собираются из отдельных штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,35 и 0,5 мм. Отдельные листы стали изолируются один от другого слоем лака. Воздушный зазор между статором и ротором делается возможно малым.

В зависимости от конструкции ротора асинхронные двигатели бывают с короткозамкнутым и с фазным роторами.

Асинхронные двигатели делятся на бесколлекторные и коллекторные. Наибольшее распространение получили бесколлекторные двигатели. Они применяются там, где требуется приблизительно постоянная скорость вращения и не требуется ее регулировка. Бесколлекторные двигатели просты по устройству, безотказны в работе и имеют высокий КпД.

Если подключить обработку статора к сети трехфазного переменного тока, то внутри статора возникает вращающееся магнитное поле. Магнитные линии поля будут пересекать обмотку неподвижного тока ротора и индуктировать в ней ЭДС. Ротор при своем вращении не может догнать вращающееся магнитное поле статора. Если предположить, что ротор будет иметь такую же скорость вращения, как и магнитное поле статора, то токи в обмотке ротора исчезнут. С исчезновением токов в обмотке ротора прекратится взаимодействие их с полем статора и ротор станет вращаться медленнее вращающегося поля статора. Однако при этом обмотка ротора вновь начнет пересекаться вращающимся полем статора и на ротор снова будет воздействовать вращающий момент. Следовательно, ротор при своем вращении всегда должен отставать от скорости вращения магнитного поля статора, т. е. вращаться асинхронно (не в такт с магнитным полем), почему эти двигатели и получили название асинхронных.

Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором является самым распространенным из электрических двигателей, применяемых в промышленности. Устройство асинхронного двигателя следующее. На неподвижной части двигателя – статоре размещается трехфазная обмотка, питаемая трехфазным током. Начала трех фаз этой обмотки выводятся на общий щиток, укрепленный снаружи на корпусе двигателя. Так как в обмотках статора протекает переменный ток, то по стали статора будет проходить переменный магнитный поток. Для уменьшения вихревых токов, возникающих в статоре, его делают из отдельных штампованных листов легированной стали толщиной 0,35 и 0,5 мм. Недостатки: трудность регулировки скорости вращения и большой пусковой ток. Поэтому наряду с ними применяют еще асинхронные двигатели с фазным ротором.

Устройство статора такого двигателя и обмотка его не отличаются от устройства статора двигателя с ко-роткозамкнутым ротором. Различие между двумя этими двигателями заключается в устройстве ротора. Электродвигатель с фазным ротором имеет ротор, на котором, как и на статоре, помещены три фазные обмотки, соединенные между собой звездой.

71. СИНХРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Синхронной машиной называется машина, скорость вращения которой постоянна и определяется при заданной частоте переменного тока числом пар полюсов p: v= 60 ·н/p.По принципу обратимости, открытому Э.Х. Ленцем, синхронная машина может работать как генератором, так и двигателем.

В основе работы синхронных генераторов лежит явление электромагнитной индукции. Так как принципиально безразлично, будет ли движущийся проводник пересекать неподвижное магнитное поле, или, наоборот, подвижное поле будет пересекать неподвижный проводник, то конструктивно синхронные генераторы могут быть изготовлены двух видов. В первом из них магнитные полюсы можно поместить на статоре и питать их обмотку постоянным током, а проводники расположить на роторе и снимать с них при помощи колец и щеток переменный ток.

Часто ту часть машины, которая создает магнитное поле, называют индуктором, а ту часть машины, где располагается обмотка, в которой индуктируются ЭДС, называют якорем. Следовательно, в первом типе генератора индуктор неподвижен, а якорь вращается.

Статор синхронного генератора, как и других машин переменного тока, состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, в пазах которого укладывается обмотка переменного тока, и станины – чугунного или сварного из листовой стали кожуха. В выштампованные на внутренней поверхности сердечника пазы укладывается обмотка статора. Изоляция обмотки выполняется особо тщательно, так как машине приходится работать обычно при высоких напряжениях. В качестве изоляции применяют миканит и миканитовую ленту.

Роторы синхронных машин по конструкции делятся на два типа:

1) явнополюсные (т. е. с явно выраженными полюсами);

2) неявнополюсные (т. е. с неявно выраженными полюсами).

Явнополюсный ротор представляет собой стальную подковку. К ободу ротора прикрепляют полюсы, на которые надеваются катушки возбуждения, соединяемые последовательно между собой. Концы обмотки возбуждения присоединяются к двум кольцам, укрепленным на валу ротора. На кольца накладываются щетки, к которым присоединяется источник постоянного напряжения. Обычно постоянный ток для возбуждения ротора дает генератор постоянного тока, сидящий на одном валу с ротором и называемый возбудителем. Мощность возбудителя равна 0,25-1% от номинальной мощности синхронного генератора. Номинальное напряжение возбудителей 60-350 В.

Имеются также синхронные генераторы с самовозбуждением. Постоянный ток для возбуждения ротора получается с помощью селеновых выпрямителей, подключаемых к обмотке статора генератора. В первый момент остаточное поле магнетизма вращающегося ротора индуктирует в обмотке статора незначительную переменную ЭДС. Селеновые выпрямители, подключенные к переменному напряжению, дают постоянный ток, который усиливает поле ротора, и напряжение генератора увеличивается.

При конструировании электрических машин и трансформаторов большое внимание конструкторы обращают на вентиляцию машин. Для синхронных генераторов применяется воздушное и водородное охлаждение.

72. УСТРОЙСТВО ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА

Генератор постоянного тока представляет собой электрическую машину, преобразующую механическую энергию вращающего ее первичного двигателя в электрическую энергию постоянного тока, которую машина отдает потребителям. Генератор постоянного тока работает на принципе электромагнитной индукции. Поэтому основными частями генератора являются якорь с расположенной на нем обмоткой и электромагниты, создающее магнитное поле.

Якорь имеет форму цилиндра и набирается из отдельных штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Листы изолированы друг от друга слоем лака или тонкой бумаги. Впадины, штампованные по окружности каждого листа, при сборке якоря и сжатии листов образуют пазы, кудаукладываются изолированные проводники обмотки якоря.

На валу якоря укрепляется коллектор, состоящий из отдельных медных пластин, припаянных копределенным местам обмотки якоря. Пластины коллектора изолированы друг от друга миканитом. Коллектор служит для выпрямления тока и отвода его при помощи неподвижных щеток во внешнюю сеть.

Электромагниты генератора постоянного тока состоят из стальных полюсных сердечников, привернутых болтами к станине. Станина генератора отливается из стали. У машин очень малой мощности станина отливается вместе с полюсными сердечниками. В остальных случаях сердечники полюсов набираются из отдельных листов электротехнической стали. На сердечники надеваются катушки, изготовленные из медной изолированной проволоки. Пропущенный через обмотку возбуждения постоянный ток создает магнитный поток полюсов. Для лучшего распределения магнитного потока в воздушном зазоре к ярму прикрепляют полюсы с наконечниками, собран-iные из отдельных стальных листов.

При вращении якоря в магнитном поле плюсов в проводнике его обмотки индуктируются ЭДС, переменная по величине и направлению. Если концы одного витка припаять к двум медным кольцам, на кольца наложить щетки, соединенные с внешней сетью, то при вращении витка в магнитном поле в замкнутой цепи потечет переменный электрический ток. На этом основано действие генераторов переменного тока.

Если же концы витка присоединить к двум медным полукольцам, изолированным друг от друга и называемым пластинами коллектора, и наложить на них щетки, то при вращении витка в магнитном поле в витке будет по-прежнему индуктироваться переменная ЭДС. Однако во внешней цепи будет протекать изменяющийся по величине ток постоянного направления (пульсирующий ток).

Нейтральной линией, или геометрической нейтралью, называется линия, проходящая через центр якоря и перпендикулярная оси полюсов. Активная сторона витка в этом положении скользит вдоль магнитных линий, не пересекая их. Поэтому ЭДС в витке не наводится и ток в цепи равен нулю. Ширина щетки больше ширины коллекторного деления, образованного пластиной и изолирующим промежутком, и виток, находясь на нейтральной линии, замыкается в этот момент щетки накоротко.

Для генераторов, работающих с резко изменяющейся нагрузкой (подъемные краны, прокатные станы), применяют иногда компенсационную обмотку, закладываемую в пазы, специально сделанные в полюсных наконечниках. Направление тока компенсационной обмотки должно быть противоположно току в проводниках обмотки якоря. На дуге, охватываемой полюсным наконечником, магнитное поле компенсационной обмотки будет уравновешивать поле реакции якоря, не допуская искажения поля машины. Компенсационная обмотка, так же как обмотка дополнительных полюсов, включается последовательно с обмоткой якоря.

73. ТИПЫ ГЕНЕРАТОРОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

В зависимости от способа создания магнитного поля генераторы постоянного тока делятся на три группы:

1) генераторы с постоянными магнитами, или магнитоэлектрические;

2) генераторы с независимым возбуждением;

3) генераторы с самовозбуждением. Магнитоэлектрические генераторы состоят из одного или нескольких постоянных магнитов, в поле которых вращается якорь с обмоткой. Ввиду очень малой вырабатываемой мощности генераторы этого типа для промышленных целей не применяются.

У генератора с независимым возбуждением обмотки полюсов питаются от постороннего, независимого от генератора, источника постоянного напряжения (генератора постоянного тока, выпрямителя и др.).

Питание обмотки возбуждения полюсов генератора с самовозбуждением осуществляется со щеток якоря самой машины. Принцип самовозбуждения заключается в следующем. При отсутствии тока в обмотке возбуждения якорь генератора вращается в слабом магнитном поле остаточного магнетизма полюсов. Независимая ЭДС, индуктируемая в обмотке якоря в этот момент, посылает слабый ток в обмотку полюсов. Магнитное поле полюсов увеличивается, отчего ЭДС в проводниках якоря также увеличивается, что, в свою очередь, вызовет увеличение тока возбуждения. Так будет продолжаться до тех пор, пока в обмотке возбуждения не установится ток, соответствующий величине сопротивления цепи возбуждения. Самовозбуждение машины может произойти лишь в том случае, если ток, протекающий по обмотке полюсов, будет создавать магнитное поле, усиливающее поле остаточного магнетизма, и если, кроме того, сопротивление цепи возбуждения не превышает некоторой определенной величины.

Генераторы с самовозбуждением в зависимости от способа соединения обмотки возбуждения с обмоткой якоря делятся на три типа.

1. Генератор с параллельным возбуждением (шунто-вой), у которого обмотка возбуждения полюсов включена параллельно обмотке якоря.

2. Генератор с последовательным возбуждением (се-риесный), у которого обмотка возбуждения полюсов включена последовательно с обмоткой якоря.

3. Генератор со смешанным возбуждением (компаунд-ный), у которого на полюсах имеются две обмотки: одна – включенная параллельно обмотке якоря, и другая – включенная последовательно с обмоткой якоря. Напряжение генератора с независимым возбуждением изменяется с нагрузкой от двух причин:

1) вследствие падения напряжения в обмотке якоря и переходном контакте щеток;

2) действие реакции якоря, приводящее к уменьшению магнитного потока и ЭДС машины. У генератора с параллельным возбуждением напряжение с нагрузкой меняется от трех причин: 1)вследствие падения напряжения в обмотке якоря и переходном контакте щеток;

2) вследствие уменьшения магнитного потока, вызванного действием реакции якоря;

3) под действием первых двух причин напряжение генератора (или напряжение щеток якоря) с нагрузкой уменьшается.

Генератор с последовательным возбуждением отличается от генератора с параллельным возбуждением, так как у первого с увеличением нагрузки напряжение увеличивается, а у второго – уменьшается.

Генератор со смешанным возбуждением объединяет в себе свойства генераторов с параллельным и последовательным возбуждением.

74. ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ

Если машину постоянного тока подключить к источнику напряжения, то она станет работать электрическим двигателем, т. е. превращать электрическую энергию в энергию механическую. Это свойство электрических машин работать как в качестве генератора, так и в качестве двигателя называется обратимостью.

Электрический двигатель был изобретен в 1834 г. русским академик Б.С. Якоби.

Устройство электрических двигателей такое же, как генераторов. Принцип действия электрических двигателей постоянного тока основан на взаимодействии тока, протекающего в обмотке якоря, и магнитного поля, создаваемого полюсами электромагнитов. Мощность, потребляемая двигателем из сети, больше мощности на валу на величину потерь на трение в подшипниках, щеток о коллектор, якоря о воздух, потерь в стали на гистерезис и вихревые токи, потерь мощности на нагрев обмоток двигателя и реостатов. КПД электрического двигателя с нагрузкой меняется. При номинальной мощности величина КПД двигателей колеблется от 70 до 93 % в зависимости от мощности, скорости вращения и исполнения двигателей.

В зависимости от соединения обмотки якоря и обмотки возбуждения электрические двигатели постоянного тока делятся на двигатели с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.

Проводники обмотки якоря, по которым проходит ток, находясь в магнитном поле, созданном полюсами, испытывают силу, под действием которой они выталкиваются из магнитного поля. Для того чтобы якорь двигателя вращался в какую-либо определенную сторону, необходимо, чтобы направление тока в проводнике изменялось на обратное, как только проводник выйдет из зоны действия одного полюса, пересечет нейтральную линию и войдет в зону действия соседнего, разноименного полюса. Для направления тока в проводниках обмотки якоря двигателя в момент, когда проводники проходят нейтральную линию, служит коллектор.

В электродвигателе с параллельным возбуждением обмотка возбуждения включена параллельно в сеть и при постоянном сопротивлении цепи возбуждения и напряжения сети магнитный поток двигателя должен быть постоянным. С увеличением нагрузки двигателя реакция якоря ослабляет магнитный поток, что приводит к некоторому увеличению скорости. На практике падение напряжения в обмотке якоря подбирают таким, чтобы его влияние на скорость двигателя было почти компенсировано реакцией якоря. Характерным свойством двигателя с параллельным возбуждением является почти постоянная скорость вращения при изменении нагрузки на его валу.

У двигателей с последовательным возбуждением обмотки якоря и возбуждения соединены последовательно. Поэтому ток, протекающий по обеим обмоткам двигателя, будет одинаков. При малых насыщениях стали магнитопровода двигателя магнитный поток пропорционален току якоря.

В электродвигателе со смешанным возбуждением наличие на полюсах двигателя двух обмоток позволяет использовать преимущества двигателей параллельного и смешанного возбуждения. Этими преимуществами являются постоянство скорости и большой вращающий момент при пуске двигателя. Регулировка скорости двигателя со смешанным возбуждением выполняется регулировочным реостатом, включенным в цепь параллельной обмотки возбуждения.

75. ВЫПРЯМИТЕЛИ

Двигатель-генераторы применяются редко и обычно пользуются специальными устройствами, преобразующими переменный ток в постоянный и называемыми выпрямителями. В технике наибольшее применение получили два типа выпрямителей:

1) твердые выпрямители;

2) ртутные выпрямители.

Твердыми выпрямителями называют такие, у которых отдельные части изготовлены из твердых тел. Из твердых выпрямителей распространение в технике получили медно-закисные (купроксные), селеновые, кремниевые и германиевые.

Ртутные выпрямители бывают:

1) стеклянные;

2) металлические.

Кроме твердых и ртутных выпрямителей, существуют еще выпрямители: механические, кенотроны, газотроны, электролитические. Кенотроны (ламповые выпрямители) широко применяются в радиотехнике, имеются в большинстве современных радиоприемников, питаемых от сетей переменного тока и т. д. Медно-закисные (купроксные) выпрямители состоят из трех слоев:

1) металл, обладающий свободными электронами в большой концентрации;

2) изоляционный (запирающий), не имеющий свободных электронов;

3) полупроводник, имеющий малое количество свободных электронов. При наличии на малых слоях разности потенциалов в запирающем слое возникает сильное электрическое поле, которое способствует вырыванию свободных электронов из прилегающих к нему слоев.

В селеновых выпрямителях одним электродом является железная никелированная шайба с нанесенным на ней тонким слоем селена. Вторым электродом служит слой из специального, хорошо проводящего сплава висмута, олова и кадмия, напыленного на селен. К этому слою прижата контактная латунная шайба. Для включения элемента в цепь служат пластинки, касающиеся обоих электродов. На границе между покровным слоем и слоем селена возникает запирающий слой.

Действие ртутного выпрямителя основано на так называемой вентильной (односторонней) способности электрической дуги, возникшей в откачанном и заполненном ртутью сосуде, пропускать ток только в одном направлении. Вентиль представляет собой устройство, имеющее малое сопротивление для тока прямого направления и большое сопротивление для тока обратного направления.

Для токов свыше 500 А применяются металлические ртутные выпрямители. Металлический корпус выпрямителя имеет водяное охлаждение. Катодная чаша, изолированная от корпуса, наполнена ртутью. Главные аноды пропущены через анодные рукава, которые предохраняют аноды от ртути, сконденсированной из ее паров. Внутри выпрямителя помещены анод зажигания и аноды независимого возбуждения. Верхний конец анода зажигания прикреплен к стальному сердечнику, помещенному в соленоиде. Если замкнуть цепь тока, питающего соленоид, то сердечник втягивается и опускает анод зажигания, который на короткое время погружается в ртуть и затем под действие пружины возвращается в прежнее положение. Дуга, возникшая между анодом зажигания и ртутью, перекидывается на аноды возбуждения, которые поддерживают дугу, не давая ей погаснуть.

Регулировка выпрямленного напряжения у выпрямителей производится при помощи секционированного трансформатора или автотрансформатора, имеющих ряд ответвлений от своих обмоток. Изменяя величину напряжения переменного тока, питающего выпрямитель, меняют величину выпрямленного напряжения.

76. ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Для измерения электрических величин применяются специальные электроизмерительные приборы. Электроизмерительные приборы нашли себе широкое применение для рациональной эксплуатации, контроля и защиты электрических установок в различных отраслях народного хозяйства.

В электроизмерительных приборах различают подвижную и неподвижную части прибора. Проявление электрического тока, например его тепловые, магнитные и механические действия, положены в основу взаимодействия подвижной и неподвижной частей прибора. Возникающий вследствие этого вращающий момент поворачивает подвижную часть прибора вместе с указателем (стрелкой).

Под действием вращающего момента подвижная система поворачивается на угол тем больший, чем больше будет измеряемая величина. В противовес вращающему моменту должен быть создан равный и противоположный противодействующий момент, так как иначе при любых значениях измеряемой величины (кроме нуля) стрелка будет отклоняться в конец шкалы до упора.

Обычно противодействующий момент создается при помощи спиральных пружин из фосфористой бронзы.

Трение, как известно, направлено всегда против движения. Поэтому при движении подвижной части прибора трение будет мешать этому и искажать показания прибора. Для уменьшения трения подвижная часть в некоторых конструкциях крепится на кернах в подпятниках из камня высокой твердости (рубина, сапфира, агата). Для предохранения кернов и подпятников от разрушения при переносе или транспортировке некоторые приборы имеют приспособление, называемое арретиром, которое поднимает подвижную часть и закрепляет ее неподвижно.

Под влиянием тех или иных причин противодействующий момент прибора изменяется. Например, при различных температурах спиральные пружины имеют неодинаковую упругость. В этом случае стрелка прибора будет отходить от нулевого деления. Для установки стрелки в нулевое положение служит приспособление, называемое корректором. Измеряющий механизм прибора заключен в корпус, защищающий его от механических воздействий и попадания пыли, воды, газов.

Одним из условий, предъявляемых к прибору, является быстрое успокоение его подвижной части, достигнутое путем устройства успокоителей, использующих механическое сопротивление среды (воздух, масло) или магнитоиндукционное торможение.

Электроизмерительные приборы различают по следующим признакам: 1)по роду измеряемой величины;

2) по роду тока;

3) по степени точности;

4) по принципу действия;

5) по способу получения отсчета;

6) по характеру применения.

Кроме этих признаков, электроизмерительные приборы можно также отличить:

1) по способу монтирования;

2) способу защиты от внешних магнитных или электрических полей;

3) выносливости в отношении перегрузок;

4) пригодности к применению при различных температурах;

5) габаритным размерам и другим признакам.

По роду тока приборы делятся на приборы постоянного тока, приборы переменного тока и приборы постоянного и переменного тока.

По принципу действия приборы подразделяются на магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические (ферродинамические), индукционные, тепловые, вибрационные, термоэлектрические, детекторные и др.

77. УСТРОЙСТВО ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Приборы магнитоэлектрической системы работают на принципе взаимодействия катушки с током и поля постоянного магнита. Сильный постоянный подковообразный магнит, изготовленный из кобальтовой, вольфрамовой или никель-алюминиевой стали, создает магнитное поле. К концам магнита приведены полюсные наконечники из мягкой стали, имеющие цилиндрические выточки. Между полюсными наконечниками неподвижно укреплен стальной цилиндр, служащий для уменьшения сопротивления магнитной цепи. Магнитные линии выходят из полюсных наконечников и в силу того, что магнитная проницаемость стали значительно больше, чем у воздуха, радикально входят в цилиндр, образуя в воздушном зазоре практически однородное магнитное поле. Такое же поле создается при выходе магнитных линий из цилиндра. Цилиндр охватывает легкая алюминиевая рамка с намотанной на ней обмоткой (катушкой), выполненной из изолированной медной проволоки. Рамка сидит на оси, лежащей в подпятниках. На оси крепится также алюминиевая стрелка. Противодействующий момент создается двумя плоскими спиральными пружинами, служащими одновременно для подвода тока к обмотке прибора.

Электромагнитные приборы работают на принципе взаимодействия между током катушки и магнитным полем подвижного сердечника из ферромагнитного материала. По конструкции электромагнитные приборы делятся на два типа: приборы с плоской катушкой и приборы с круглой катушкой.

Принцип действия электродинамических приборов основан на взаимодействии магнитных полей двух катушек: одной, неподвижно закрепленной, и другой, сидящей на оси и поворачивающейся.

Принцип действия тепловых приборов основан на удлинении металлической нити при нагревании ее током, которое затем преобразуется во вращательное движение подвижной части прибора.

Индукционные измерительные приборы характеризуются применением нескольких неподвижных катушек, питаемых переменным током и создающих вращающееся или бегущее магнитное поле, которое индуктирует токи в подвижной части прибора и вызывает ее движение. Индукционные приборы применяются только при переменном токе в качестве ваттметров и счетчиков электрической энергии.

Принцип действия приборов термоэлектрической системы основан на использовании электродвижущей силы, возникающей в цепи, состоящей из разнородных проводников, если место соединения этих проводников имеет температуру, отличную от температуры остальной части цепи.

Приборы детекторной системы представляют собой сочетание магнитоэлектрического измерительного прибора и одного или нескольких полупроводниковых выпрямителей (детекторов), соединенных вместе в одну схему. В качестве выпрямителей обычно используют медно-закисные выпрямители.

Приборы вибрационной системы характеризуются применением ряда настроенных пластин, имеющих разные периоды собственных колебаний и позволяющих производить измерение частоты благодаря резонансу частоты колеблющейся пластины с измеряемой частотой. Вибрационные приборы строятся только в качестве частотомеров.

78. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

В сетях переменного тока для отделения измерительных приборов в целях безопасности от проводов высокого напряжения, а также для расширения пределов измерения приборов применяются измерительные трансформаторы напряжения и тока.

Для обеспечения высокой точности измерений трансформаторы напряжения (тока) не должны менять свой коэффициент трансформации и иметь постоянный угол в 180омежду векторами первичного и вторичного напряжения (тока). Последнее условие необходимо при включении через трансформаторы напряжения (тока) таких приборов, показания которых зависят от угла сдвига между напряжением и током сетки.

Однако на практике трансформаторы напряжения (тока) имеют так называемую погрешность в коэффициенте трансформации и угловую погрешность.

Относительной погрешностью в коэффициенте трансформации называется разность между вторичным напряжением (током), умноженным на коэффициент трансформации, и действительной величиной первичного напряжения (тока).

Угловой погрешностью измерительного трансформатора напряжения (тока) называется угол между вектором первичного напряжения (тока) и повернутым на 180овектором вторичного напряжения (тока). Погрешность в коэффициенте трансформации и угловая погрешность увеличиваются с нагрузкой. Поэтому трансформаторы нельзя нагружать сверх номинальной (указанной на паспорте) мощности.

Первичная и вторичная обмотки измерительного трансформатора напряжения выполняются из медной изолированной проволоки и надеваются на замкнутый сердечник, собранный из отдельных листов трансформаторной стали. Трансформаторы напряжения изготовляются однофазными и трехфазными. Для защиты трансформатора от перегрузок и коротких замыканий в цепи измерительных приборов во вторичную обмотку включаются низковольтный плавкий предохранитель. В случае пробоя изоляции высоковольтной обмотки сердечник и вторичная обмотка могут получить высокий потенциал. Во избежание этого вторичная обмотка и металлические части трансформатора заземляются.

Трансформаторы тока служат для преобразования тока большой величины в ток малой величины. На сердечник, собранный из отдельных листов трансформаторной стали, наматываются две обмотки: первичная, состоящая из небольшого количества витков, включаемая последовательно в цепь, по которой проходит измеряемый ток, и вторичная, состоящая из большого числа витков, к которой подключены измерительные приборы. При измерении тока в сетях высокого напряжения измерительные приборы оказываются отделенными и изолированными от высоковольтныхпроводов. Вторичная обмотка трансформатора тока выполняется обычно на ток 5 А (иногда на 10 А), первичные номинальные токи могут быть от 5 до 15 000 А.

Отношение первичного тока ко вторичному, равное приближенно обратному отношению витков обмоток, называется коэффициентом трансформации тока. Номинальный коэффициент трансформации указывается на паспорте трансформатора в виде дроби, в числителе которой указывается номинальный первичный ток, а в знаменателе – номинальный вторичный ток.

79. РЕОСТАТЫ

В электроизмерительной практике, а также при эксплуатации электрических машин применяются различные реостаты.

Реостатом называется прибор, обладающий некоторым сопротивлением, которое можно изменять, меняя тем самым ток и напряжение цепи. Реостаты бывают со скользящим контактом, рычажные, жидкостные, ламповые и штепсельные.

Реостат со скользящим контактом. На фарфоровую трубку наматывается голая проволока. В результате специальной обработки поверхность проволоки покрывается тонкой пленкой окиси, не проводящей ток. По металлической планке, прижимаясь к проволоке реостата, скользит ползунок. Так как последовательно с электрической лампой в цепь введена часть сопротивления реостата, то ток, протекающий через нить лампы, будет уменьшен и лампа в этом случае будет гореть слабее. Передвигая ползунок вправо, мы будем уменьшать сопротивление реостата, и сила света лампы будет увеличиваться. Реостаты со скользящим контактом применяются там, где необходимо плавное, медленное изменение тока в цепи.

Рычажный реостат. На раме из изоляционного материала натягиваются спирали из проволоки. Спирали соединены последовательно. От начала, конца и мест соединений отдельных спиралей сделаны ответвления к контактам. Ставя рычаг на определенный контакт реостата, мы можем менять сопротивление, а вместе с этим и ток в цепи. Однако изменения эти происходят не плавно, а скачкообразно.

Материалом для проволочных реостатов чаще всего служат железо, никелин, константан, манганин, нихром.

Жидкостный реостат. Реостат представляет собой металлический сосуд с раствором соды. На шарнире укреплен рычаг, на котором имеется железный или медный нож. Рычаг с ножом изолирован от металлического ящика прокладкой. Поднимая или опуская нож в раствор соды, можем менять ток в цепи. Опуская нож в раствор, мы увеличиваем площадь соприкосновения ножа с раствором и увеличиваем ток, проходящий через реостат. При дальнейшем погружении ножа контакт ручки войдет в зажим на металлическом корпусе и реостат будет замкнут накоротко, т. е. выключен из работы.

Жидкостные реостаты применяются в цепях при больших токах.

Ламповый реостат. Представляет набор нескольких параллельно включаемых электрических ламп. Известно, что если одна лампа накаливания будет иметь сопротивление в 150 Ом, то две такие же лампы будут иметь общее сопротивление уже только 75 Ом, три лампы – 50 Ом и т. д.

Таким образом, общее сопротивление нескольких одинаковых, параллельно включенных ламп будет равно сопротивлению одной лампы, деленному на число включенных ламп.

Штепсельные реостаты. Часто называемые магазинами сопротивлений, представляют набор определенных точно выверенных сопротивлений. Концы катушек сопротивлений присоединяются к разрезанной медной планке. Когда в вырезы планки вставляется медный штепсель, то он соединяет собой две соседние части планки. Этим сопротивление, подключенное своими концами к соседним частям планки, выключается из цепи или, как говорят, закорачивается (замыкается накоротко).

Вынутый штепсель заставляет электрический ток проходить по катушке сопротивления.

Магазины сопротивлений позволяют легко включать в цепь сопротивления точно определенной величины и применяются при электрических измерениях.

80. ИЗМЕРЕНИЕ АКТИВНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ

Постоянный ток. Из формулы мощности постоянного тока P =UI видно, что определение мощности может быть произведено путем умножения показаний амперметра и вольтметра. Однако на практике измерение мощности обычно производится при помощи специальных приборов – ваттметров. Ваттметр состоит из двух катушек: неподвижной, состоящей из небольшого числа витков толстой проволоки, и подвижной, состоящей из большого числа витков тонкой проволоки. При включении ваттметра ток нагрузки проходит через неподвижную катушку, последовательно включенную в цепь, а подвижная катушка включается параллельно потребителю. Для уменьшения потребляемой мощности в параллельной обмотке и уменьшения веса подвижной катушки последовательно с ней включается добавочное сопротивление из манганина. В результате взаимодействия магнитных полей подвижной и неподвижной катушек возникает момент вращения, пропорциональный токам обеих катушек. Вращающий момент прибора пропорционален мощности, потребляемой в цепи.

Чтобы стрелка прибора отклонялась от нуля вправо, необходимо ток через катушку пропускать в определенном направлении.

Кроме электродинамических ваттметров, для измерения мощности в цепях постоянного тока употребляются также ваттметры ферродинамической системы.

Однофазный переменный ток. При включении электродинамического ваттметра в цепь переменного тока магнитные поля подвижной и неподвижной катушек, взаимодействуя между собой, вызовут поворот подвижной катушки. Мгновенный момент вращения подвижной части прибора пропорционален произведению мгновенных значений токов в обеих катушках прибора. Но вследствие быстрых изменений токов подвижная система не сможет следовать за этими изменениями и момент вращения прибора будет пропорционален средней или активной мощности P = U·I·cos?.. Следовательно, по углу поворота подвижной части ваттметра можно судить о величине активной мощности, потребляемой цепью.

Для измерения мощности переменного тока пользуются также ваттметрами индукционной системы.

При измерении ваттметром мощности в сетях низкого напряжения с большими токами применяют трансформаторы тока. Для уменьшения разности потенциалов между обмотками ваттметра первичная и вторичная цепи трансформатора тока имеют общую точку. Вторичная обмотка трансформатора не заземляется, так как это означало бы заземление одного провода сети.

Для определения мощности сети в этом случае нужно показание ваттметра умножить на коэффициент трансформации трансформатора.

Трехфазный переменный ток. При равномерной нагрузке трехфазной системы для измерения мощности пользуются одним однофазным ваттметром. По последовательной обмотке ваттметра в этом случае протекает фазный ток, а параллельная обмотка включена к фазному напряжению. Поэтому ваттметр покажет мощность одной фазы. Для получения мощности трехфазной системы нужно показание однофазного ваттметра умножить на три.

В сетях высокого напряжения трехфазный ваттметр включается при помощи измерительных трансформаторов напряжения и тока.

81. ИЗМЕРЕНИЕ АКТИВНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Постоянный ток. Для измерения расхода энергии при постоянном токе применяют счетчики трех систем: электродинамической, магнитоэлектрической и электролитической. Наибольшее распространение получили счетчики электродинамической системы. Неподвижные токовые катушки, состоящие из небольшого числа витков толстой проволоки, последовательно включены в сеть. Подвижная катушка шарообразной формы, называемая якорем, укреплена на оси, которая может вращаться в подпятниках. Обмотка якоря выполнена из большого числа витков тонкой проволоки и разделена на несколько секций. Концы секций припаяны к пластинам коллектора, которого касаются металлические плоские щетки. Напряжение сети подается в обмотку якоря через добавочное сопротивление. При работе счетчика в результате взаимодействия тока в обмотке якоря и магнитного потока неподвижных токов катушек создает момент вращения, под влиянием которого якорь начнет поворачиваться. О количестве энергии, потребляемой в сети, можно судить по числу оборотов, сделанных якорем (диском). Количество энергии, приходящееся на один оборот якоря, называется постоянной счетчика. Число оборотов якоря, приходящееся на единицу учтенной электрической энергии, называется передаточным числом.

Однофазный переменный ток. Для измерения активной энергии в цепях однофазного переменного тока применяют счетчики индукционной системы. Устройство индукционного счетчика почти такое же, как и индукционного ваттметра. Разница состоит в том, что счетчик не имеет пружин, создающих противодействующий момент, отчего диск счетчика может свободно вращаться. Стрелка и шкала ваттметра заме-‘нены в счетчике счетным механизмом. Постоянный магнит, служащий в ваттметре для успокоения, в счетчике создает тормозящий момент.

Трехфазный переменный ток. Активную энергию трехфазного переменного тока можно измерить с помощью двух однофазных счетчиков, включенной в цепь по схеме, аналогичной схеме двух ваттметров. Удобнее измерить энергию трехфазным счетчиком активной энергии, объединяющим в одном приборе работу двух однофазных счетчиков. Схема включения двухэлементного трехфазного счетчика активной энергии та же, что и схема соответствующего ваттметра.

В четырехпроводной сети трехфазного тока для измерения активной энергии применяют схему, аналогичную схеме трех ваттметров, или употребляют трехэлементный трехфазный счетчик. В сетях высокого напряжения включение счетчиков производится при помощи измерительных трансформаторов напряжения и тока.

Реактивную энергию однофазного тока можно определить по показанию амперметра, вольтметра, фазометра и секундомера.

Для учета реактивной энергии в сетях трехфазного тока можно применять нормальные счетчики активной энергии и специальные счетчики реактивной энергии.

Рассмотрим устройство специального трехфазного счетчика реактивной энергии. Устройство счетчика этого типа такое же, как и устройство двухэлементного трехфазного ваттметра. Параллельные обмотки двух элементов включаются в сеть. На U-образные сердечники накладываются не две, а четыре последовательные обмотки. Причем на один из отростков U-образного сердечника первого элемента наматывается одна последовательная обмотка. Вторая токовая обмотка помещается на втором отростке сердечника первой системы и третья токовая обмотка помещается на первом отростке второй системы. Четвертая токовая обмотка помещается на втором отростке U-образного сердечника второго элемента.

82. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД

Двигатель и передаточный механизм приводят в движение исполнительный механизм. Поэтому эти две части машины называются приводом.

Если для приведения в движение рабочей машины используется электрический двигатель, то такой привод называется электрическим приводом или сокращенно электроприводом.

Первым практическим применением электропривода следует считать использование его на катере академиком Б.С. Якоби в 1838 г. На катере был установлен электрический двигатель, получивший питание от гальванической батареи.

Электроприводы, применяемые в производстве, можно разбить на три основных типа: групповой, одиночный и многодвигательный.

Групповой электропривод состоит из одного электрического двигателя, который через трансмиссию и контрпривод приводит в движение несколько исполнительных механизмов. Контрпривод представляет собой короткий вал, лежащий в подшипниках. На валу расположены ступенчатый шкив, рабочий (связанный с валом) и холостой (свободно сидящий на валу) шкивы. Контрпривод дает возможность изменять скорость вращения станка (при помощи ступенчатого шкива), останавливать и пускать станок (при помощи рабочего или холостого шкива). Остановка приводного двигателя приводит к прекращению работы всех исполнительных механизмов, получающих от него механическую энергию. При работе только части исполнительных механизмов групповой привод имеет низкий КПД.

Одиночный электропривод состоит из электродвигателя, который приводит в движение отдельный исполнительный механизм. Одиночным приводом оборудованы одношпиндельные сверлильные станки, токарные станки малой мощности и др. Первоначально передача движения от двигателя к станку производилась через контрпривод. Впоследствии сам электродвигатель был подвергнут конструктивным изменениям и стал составлять одно целое с исполнительным механизмом. Такой одиночный привод называется индивидуальным.

Многодвигательный привод состоит из нескольких электродвигателей, каждый из которых служит для приведения в движение отдельных элементов исполнительного механизма. Многодвигательные приводы применяются для сложных металлообрабатывающих станков большой мощности, прокатных станов, бумагоделательных машин, подъемных кранов и других машин и механизмов.

По роду тока электропривод делится на электропривод постоянного тока и электропривод переменного тока. В зависимости от способа соединения обмоток якоря и возбуждения различают двигатели постоянного тока с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.

При определении мощности машины различают три режима работы.

1. Продолжительный режим работы характеризуется работой, при которой рабочий период настолько велик, что нагрев машины достигает своего установившегося состояния.

2. Кратковременный режим работы характеризуется тем, что во время рабочего периода температура двигателя не успевает достигнуть установившегося состояния.

3. Повторно-кратковременный режим работы характеризуется чередованием рабочих периодов и пауз. Продолжительность одного рабочего периода и одной паузы не должны превышать 10 мин. Режим повторно-кратковременной работы определяется относительной продолжительностью рабочего периода.

83. ИЗОЛЯЦИЯ, ФОРМЫ ИСПОЛНЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Мощность двигателя определяется его нагревом. Допустимый нагрев машины ограничивается теплостойкостью из изоляционных материалов, а также системой охлаждения двигателя.

Изолирующие материалы, применяемые в электрических машинах, делятся на пять классов. Класс изоляции А. В него входят хлопчатобумажные ткани, шелк, пряжа, бумага и другие органические материалы, пропитанные различными маслами, а также эмали и лаки. Класс изоляции В. Сюда входят изделия из слюды, асбеста и других неорганических материалов, содержащих органические связывающие вещества. Класс изоляции ВС. Состоит из слюды, стеклянной пряжи и асбеста на теплостойких лаках. Класс изоляции СВ. Состоит из неорганических материалов на теплостойких лаках без применения изолирующих материалов класса А. Класс изоляции С. Включает слюду, фарфор, стекло, кварц и другие неорганические материалы без связывающих веществ. Наибольшая допустимая температура нагрева для изоляции класса А-105о, для класса В-120о, для класса ВС -135о, для класса Св несколько выше, в зависимости от теплостойкости применяемых лаков, для класса С температура не устанавливается.

По способу защиты от воздействия внешней среды различают следующие формы исполнения электрических машин.

1. Открытая электрическая машина. Вращающиеся и токоведущие части машины в этом исполнении не защищены от случайного прикосновения и попадания на них посторонних предметов.

2. Защищенная электрическая машина. Вращающиеся и токоведущие части такой машины защищены от прикосновения и попадания на них посторонних предметов.

3. Каплезащитная электрическая машина. Внутренние части такой машины предохранены от попадания капель воды, падающих отвесно.

4. Брызгозащитная электрическая машина. Внутренние части машины защищены от попадания водяных брызг, падающих под углом 45ок вертикали с любой стороны.

5. Закрытая электрическая машина. Внутренние части машины этого исполнения отделены от внешней среды, но не настолько плотно, чтобы ее можно было считать герметической. Эта машина применяется в пыльных помещениях и может устанавливаться на открытом воздухе.

6. Водозащищенная электрическая машина. Внутреннее пространство машины защищено от проникновения в него воды при обливании машины из брандспойта. Применяется в судовых установках.

7. Взрывобезопасная электрическая машина. Закрытая машина, выполненная таким образом, что может противостоять взрыву внутри нее тех газов, которые содержатся в наружной среде.

8…Герметическая машина. Совершенно закрытая машина, у которой все отверстия закрыты настолько плотно, что при определенном наружном давлении исключается всякое сообщение между внутренним пространством машины и газовой средой и жидкостью, окружающей машину извне.

По способу охлаждения машины делятся на следующие типы.

1. Машины с естественным охлаждением, не имеющие специальных вентиляторов. Циркуляция охлаждающего воздуха осуществляется за счет вентилирующего действия вращающих частей машин и явления конвекции.

2. Машины с искусственной вытяжной или нагнетательной вентиляцией, в которых циркуляция газа, охлаждающего нагретые части, усиливается специальным вентилятором, в том числе: машины с самовентиляцией, имеющие вентилятор на валу (защищенные или закрытые); машины с независимой вентиляцией, вентилятор которых приводится во вращение посторонним двигателем (закрытые машины).

84. ЗАЩИТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Во избежание порчи изоляции двигателя и нарушения целостности обмоток и электрических соединений двигатели должны иметь защитные устройства, обеспечивающие своевременное отключение их от сети. Наиболее частыми причинами ненормальных режимов работы двигателя являются перегрузки, короткие замыкания, понижение или исчезновение напряжения.

Перегрузкой называется увеличение тока двигателя сверхноминальной величины. Перегрузки могут быть небольшие и кратковременные. Перегрузки могут быть чрезмерные и длительные – они опасны для обмоток двигателя, так как большое количество тепла, выделяемое током, может обуглить изоляцию и сжечь обмотки.

Также опасны для двигателя короткие замыкания, которые могут происходить в его обмотках. Защита двигателей от перегрузок и коротких замыканий называется максимальной токовой защитой. Максимальная защита осуществляется плавкими предохранителями, токовыми реле, тепловыми реле. Выбор тех или иных защитных устройств зависит от мощности, типа и назначения двигателя, пусковых условий и характера перегрузок.

Плавкие предохранители представляют собой приспособления с легкоплавкой проволокой, изготовленной из меди, цинка или свинца и укрепленной на изолирующем основании. Назначение предохранителей заключается в отключении потребителя от сети при недопустимо большой перегрузке или коротком замыкании. Плавкие предохранители имеют относительно малую мощность, которую могут отключить предохранители или какой-либо отключающий аппарат без опасности быть поврежденным или разрушенным, называемую предельно-отключающей мощностью.

Плавкие предохранители бывают пробочные, пластинчатые и трубчатые. Пробочные предохранители изготовляются на напряжение до 500 В и на токи от 2 до 60 А и применяются для защиты осветительных сетей и электродвигателей малой мощности. Пластинчатые предохранители, обладающие большими недостатками (разбрызгивание металла вставки при перегорании, трудности замены их), в настоящее время стараются не применять. Трубчатые предохранители низкого напряжения изготовляются на напряжение до 500 В и на токи от 6 до 1000 А. Конструктивно трубочные предохранители могут быть выполнены с открытой фарфоровой трубкой и с закрытой стеклянной, фибровой или фарфоровой трубкой. Трубки с пропущенными сквозь них плавкими вставками часто засыпают кварцевым песком. В момент перегорания предохранителя песок разбивает электрическую дугу на ряд мелких дуг, хорошо охлаждает дугу и она быстро гаснет.

В электрических цепях постоянного и переменного тока напряжением до 500 В применяются автоматические воздушные выключатели или просто автоматы. Назначение автоматов заключается в размыкании электрических цепей при перегрузке или коротких замыканиях.

Основной деталью теплового реле является биметаллическая пластина. Под действием тепла нагревательного элемента происходит деформация биметаллической пластины, которая, изгибаясь, освобождает защелку. Под действием пружины защелка поворачивается вокруг оси и при помощи тяги производит размыкание нормально замкнутых контактов вспомогательной цепи реле. Возвращение защелки в первоначальное положение производится при помощи кнопки возврата. Нагревательный элемент теплового реле выбирается по номинальному току двигателя.

85. КОНТАКТОРЫ И КОНТРОЛЛЕРЫ

Для дистанционного и автоматического управления электродвигателями применяют контакторы. В зависимости от рода тока контакторы бываю постоянного и переменного тока.

В контакторе постоянного тока силовая цепь, замыкаемая контактором, проходит через контакты, укрепленные на изолирующем основании, контакты самого контактора и гибкую токоведущую связь. Замыкание контактора осуществляется электромагнитом, обмотка которого питается от вспомогательной цепи управления. При замыкании цепи управления электромагнит притягивает якорь, который замыкает контакты контактора.

Контактор удерживается во включенном положении до тех пор, пока замкнута цепь обмотки электромагнита. Контакторы постоянного тока КП строятся с одним, двумя и тремя главными контактами, работающими в цепях постоянного тока напряжением 220, 440 и 600 В. Номинальные токи, на которые рассчитаны главные контакты, бывают от 20 до 250 А. Катушка электромагнитов контакторов КП рассчитаны на напряжения 48, 110 и 220 В.

Кроме главных контактов, служащих для замыкания и размыкания силовых цепей, контакторы снабжаются блок-контактами для цепей сигнализации и других целей. Контакторы КП допускают до 240-1200 включений в час.

Включающие катушки контакторов переменного тока изготовляются на напряжения 127, 220, 380 и 500 В при частоте 50 Гц. Данные контакторы допускают до 120 включений в час.

Для пуска двигателей, изменения направления вращения, регулирования скорости и остановки двигателей применяют аппараты, называемые контроллерами. По роду тока контроллеры бывают постоянного и переменного тока. Контроллеры, контакты которых включаются в силовые цепи электродвигателей, называются силовыми контроллерами.

Имеются контроллеры, которые замыкают цепи управления электромагнитных аппаратов, а они, в свою очередь, замыкают и размыкают силовые цепи электродвигателей. Такие контроллеры называются командоконтроллерами.

В зависимости от конструкции контактовой системы контроллеры могут быть барабанные и кулачковые. Вал барабанного контроллера поворачивается при помощи штурвала. На валу изолированно от него укреплены медные пластины, имеющие форму сегментов и являющиеся подвижными контактами. Сегменты могут быть разной длины и смещены один относительно другого на некоторый угол. Некоторые сегменты электрически соединяются между собой. При повороте вала контроллера его сегменты соединяются с неподвижными контактами, укрепленными на изолирующей планке. Неподвижные контакты пальцевого типа оканчиваются легко сменяемыми «сухарями». В результате соединения подвижных контактов с неподвижными производятся необходимые переключения в управляемой цепи.

Кулачковый контроллер состоит из комплекта кон-такторных элементов, замыкающихся и размыкающихся при помощи кулачковых шайб, расположенных на валу контроллера. Для лучшего гашения дуги каждый контактный элемент контроллера снабжен индивидуальными приспособлением для гашения дуги. Контакты кулачковых контроллеров имеют большую разрывную мощность, чем контакты барабанных контроллеров, и допускают большее число включений (до 600 включений в час).

86. СПОСОБЫ ПУСКА ДВИГАТЕЛЕЙ

Пуск асинхронных двигателей можно производить при полном напряжении (прямой пуск) и при пониженном напряжении. Прямой пуск осуществляется при помощи рубильников, переключателей, пакетных выключателей, магнитных пускателей, контакторов и контроллеров. При прямом пуске к двигателю подается полное напряжение сети. Недостатком этого способа пуска являются большие пусковые токи, которые в 27 раз больше номинальных токов двигателей.

Наиболее простым является прямой пуск асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Пуск и остановка таких двигателей производится включением или отключением рубильника и т. п. Пуск асинхронных двигателей с фазным ротором производится при помощи пускового реостата, подключаемого к обмотке ротора через кольца и щетки. Перед пуском двигателя можно убедиться, что сопротивление пускового реостата полностью введено. В конце пуска реостат плавно выводится и закорачивается. Наличие активного сопротивления в цепи ротора при пуске приводит к уменьшению пускового тока и увеличению пускового момента. Для уменьшения пусковых токов асинхронных двигателей уменьшают напряжение, подводимое к обмотке статора двигателя.

Уменьшить напряжение, подводимое к двигателю, а вместе с этим уменьшить пусковой ток двигателя можно также при помощи автотрансформатора. При пуске автотрансформаторы понижают напряжение на 50–80 %.

Одним из главных недостатков синхронных двигателей является сложность их пуска в ход. Пуск синхронных двигателей может быть осуществлен при помощи вспомогательного пускового двигателя или путем асинхронного пуска.

Если ротор синхронного двигателя с возбужденными полюсами развернуть другим, вспомогательным двигателем до скорости вращения поля статора, то магнитные полюсы статора, взаимодействуя с полюсами ротора, заставят ротор вращаться далее самостоятельно без посторонней помощи, в такт с полем статора, т. е. синхронно. Для осуществления пуска необходимо, чтобы число пар полюсов асинхронного двигателя было меньше числа пар полюсов синхронного двигателя, ибо при этих условиях вспомогательный асинхронный двигатель может развернуть ротор синхронного двигателя до синхронной скорости.

Сложность пуска и необходимость вспомогательного двигателя являются существенными недостатками этого способа пуска синхронных двигателей. Поэтому в настоящее время он применяется редко.

Для осуществления асинхронного пуска синхронного двигателя в полюсных наконечниках полюсов ротора укладывается дополнительная короткозамкну-тая обмотка. Так как во время пуска в обмотке возбуждения двигателя наводится большая ЭДС, то по соображениям безопасности она замыкается рубильником на сопротивление.

При включении напряжения трехфазной сети в обмотку статора синхронного двигателя возникает вращающееся магнитное поле, которое, пересекая ко-роткозамкнутую обмотку, заложенную в полюсных наконечниках ротора, индуктирует в ней токи. Эти токи, взаимодействуя с вращающим полем статора, приведут ротор во вращение. При достижении ротором большего числа оборотов рубильник переключается так, чтобы обмотку ротора включить в сеть постоянного напряжения. Недостатком асинхронного пуска является большой пусковой ток (в 5–7 раз больше рабочего тока).

87. РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Регулирование скорости вращения электрических двигателей постоянного тока можно производить путем изменения напряжения, подводимого к двигателю, или путем изменения величины магнитного потока двигателя.

Изменение величины напряжения, подводимого к якорю двигателя, можно производить путем включения последовательно с якорем двигателя переменного регулировочного сопротивления или путем последовательного и параллельного включения обмоток якорей нескольких двигателей. Наиболее часто для регулирования скорости применяют способ изменения величины магнитного потока двигателя. Для этой цели в цепь обмотки возбуждения двигателя включают реостат, дающий возможность производить широкую и плавную регулировку скорости двигателя.

Регулирование скорости вращения асинхронных двигателей производится одним из следующих способов.

1. Изменение числа полюсов электродвигателя. Для возможности изменения числа пар полюсов двигателя статор его выполняют либо с двумя самостоятельными обмотками, либо с одной обмоткой, которую можно пересоединять на различные числа полюсов. Пересоединение обмоток статора производится при помощи специального аппарата – контроллера. При этом способе регулировка скорости вращения двигателя совершается скачками. Регулировку скорости вращения двигателя путем изменения числа полюсов можно производить только у асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Ротор с короткозамкну-той обмоткой может работать с любым числом полюсов статора. Наоборот, ротор двигателя с фазной обмоткой может нормально работать лишь при определенном числе полюсов статора. Иначе обмотку ротора также пришлось бы переключать, что внесло бы большие усложнения в схему двигателя.

2. Изменение частоты переменного тока. При этом способе частоту переменного тока, подводимого к обмотке статора двигателя, изменяют при помощи специального генератора. Регулировку изменения частоты тока выгодно производить, когда имеется большая группа двигателей, требующих совместного плавного регулирования скорости вращения.

3. Введение сопротивления в цепь ротора. Во время работы двигателя в цепь обмотки ротора вводят сопротивление регулировочного реостата. Такой способ применим только для двигателей с фазным ротором.

4. Управление с помощью дросселей насыщения. Однофазный дроссель насыщения имеет две обмотки: одна включена в цепь переменного тока, другая, называемая управляющей или подмагничивающей обмоткой, подключается к источнику постоянного напряжения (выпрямителю). С увеличением тока в управляющей обмотке магнитная система дросселя насыщается и индуктивное сопротивление обмотки переменного тока уменьшается. Включая дроссели в каждую фазу асинхронного двигателя и меняя ток управляющей обмотки, можно менять сопротивление в цепи статора двигателя, а следовательно, и скорость вращения самого двигателя.

Для пуска в ход двигателей постоянного тока большой мощности, а также для широкой регулировки скорости вращения двигателей применяют схему «генератор – двигатель», сокращенно Г – Д. Система Г – Д дает возможность осуществить плавный пуск и широкую регулировку скорости вращения двигателя.

88. АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ

Аккумуляторные батареи комплектуются из свин-цово-кислотных или щелочных аккумуляторов, из которых первые получили наибольшее распространение.

Батарея стационарных свинцово-кислотных аккумуляторов состоит из аккумуляторов типа С (стационарные для продолжительных разрядных режимов) или СК (стационарные для коротких разрядных режимов). Аккумуляторы СК отличаются от аккумуляторов типа С усиленными соединительными полюсами. Цифры после буквенного обозначения этих аккумуляторов характеризуют их емкость, разрядный и зарядный токи.

Аккумуляторы типа С предназначены для разряда в продолжении от 3 до 10 часов; максимально допускаемый 3-часовой разрядный ток 9 А. Аккумуляторы СК могут быть разряжены в более короткий срок – до 1 часа; максимально допускаемый одночасовой разрядный ток 18,5 А.

Кратковременный разрядный ток (в течение не более 5 с) не должен превышать 250 % тока трехчасового разряда для аккумуляторов типа С и 250 % тока одночасового разряда для аккумуляторов типа СК.

Во время заряда допускается максимальный зарядный ток: 9 А для аккумуляторов типа С и 11 А для аккумуляторов типа СК.

Величина емкости, указанная для каждого типа аккумуляторов, меняется в широких пределах в зависимости от величины разрядного тока и режима разряда.

Для стационарных аккумуляторных батарей применяются свинцово-кислотные аккумуляторы панцирного типа СП и СПК (стационарные панцирные). Для переносных аккумуляторных батарей используются свинцово-кислотные аккумуляторы типа СТ (стартер-ные).

Аккумуляторные батареи щелочных аккумуляторов комплектуются из железоникелевых аккумуляторов типа ЖН или ТЖН.

Номер аккумулятора соответствует его номинальной емкости в ампер-часах.

Заряд аккумуляторов производится током нормального зарядного режима в течение 6–7 ч. Допускается ускоренный заряд при следующем режиме: сначала в течение 2,5 ч током вдвое больше нормального, затем в течение 2 ч током нормальной величины.

Для переносных аккумуляторных батарей применяются железоникелевые аккумуляторы 10 ЖН напряжением 12,5 В; 4 ЖН-5 В; 5 ЖН-6,5 В.

При работе аккумуляторной батареи напряжение каждого элемента уменьшается. Если не принять особых мер, то напряжение на шинах аккумуляторной батареи будет также уменьшаться. В связи с этим по мере разряда батареи дополнительно к работающим аккумуляторам нужно подключать новые элементы. Таким образом, аккумуляторная батарея состоит из некоторого числа постоянно работающих элементов и нескольких элементов, включаемых и выключаемых по мере надобности. Аппарат, посредством которого производится изменение числа действующих элементов батареи, называется элементным коммутатором.

На электрических станциях и подстанциях имеются следующие виды нагрузок постоянного тока:

1) постоянная нагрузка – сигнальные и контрольные лампы на щитах управления, некоторые реле защиты и автоматики и др.;

2) временная нагрузка – возникает в случае прекращения питания подстанции переменным трехфазным током; состоит из ламп аварийного освещения и двигателей постоянного тока;

3) кратковременная нагрузка – механизмы включения электрических приводов выключателей, часть реле защиты и автоматики.

89. РЕЖИМ РАБОТЫ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

Применяются два режима работы аккумуляторных батарей: заряд-разряд и постоянный подзаряд.

Режим заряд-разряд характеризуется тем, что после заряда аккумуляторной батареи зарядное устройство отключается и батарея питает постоянную нагрузку (лампы сигнализации, приборы управления), периодически кратковременную нагрузку (электромагнитные приводы выключателей) и аварийную нагрузку. Разряженная до определенного напряжения батарея вновь подключается к зарядному агрегату, который, заряжая батарею, одновременно питает нагрузку.

Для батареи, работающей по методу заряд-разряд, один раз в три месяца производится уравнительный заряд (перезарядка).

Режим постоянного подзаряда заключается в следующем. Батарея непрерывно подзаряжается от под-зарядного агрегата, и поэтому она находится в любой момент в состоянии полного заряда. Толчковые нагрузки, возникающие в сети постоянного тока, воспринимает аккумуляторная батарея. Один раз в месяц батарея, работающая в режиме постоянного подзаряда, должна быть заряжена от зарядного агрегата.

Для осуществления режима заряд-разряд применяют схему аккумуляторной батареи с двойным элементным коммутатором. В качестве зарядного агрегата применен двигатель-генератор. Генератор присоединен к шинам через предохранители, автомат максимального тока с реле обратного тока, амперметр и переключатель на два положения.

Максимальный автомат защищает генератор от перегрузки.

Реле обратного тока отключает генератор, если его ЭДС станет меньше напряжения на шинах батареи. Это может произойти при уменьшении скорости вращения генератора, исчезновении напряжения переменного тока, питающего двигатель, и от других причин. Если в это время не отключить генератор, то он, перейдя в режим двигателя, станет нагрузкой для батареи.

Общее число аккумуляторов, соединяемых в батарею, должно быть таким, что даже разряженные до минимального напряжения элементы должны обеспечить на шинах батареи номинальное напряжение.

Если нагрузка сети незначительна, то агрегат может отдавать ток в сеть и одновременно заряжать аккумуляторную батарею. Однако к концу заряда генератор дает напряжение больше того, при котором обычно работает сеть. Если включить в сеть реостат, то за счет падения напряжения в нем можно уменьшить напряжение. Но это неэкономично. Простым решением задачи одновременной работы генератора на сеть и на заряд является применение в схеме двухэлементного коммутатора. Последний дает возможность использовать разность между напряжением генератора и напряжением сети для заряда группы аккумуляторов, присоединенных к коммутатору.

Аккумуляторные батареи располагаются в специальном помещении подвального или первого этажа здания электростанции или подстанции. Помещение должно быть сухим, не подвергающимся резким изменениям температуры, тряске или колебаниям. Вход в помещение делается с тамбуром. Температура помещения на уровне расположения аккумуляторов не должна быть ниже 10о. Помещение аккумуляторной должно иметь приточно-вытяжную вентиляцию.

90. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВАХ

Работа на электрических установках совершенно безопасна, если обслуживающий персонал будет точно соблюдать правила технической эксплуатации и правила безопасности. Для этого к работе на электрических установках допускаются лица, изучившие правила безопасности и получившие удостоверения о проверке знаний с присвоением квалификационной группы.

Основными защитными средствами называются приспособления, изоляция которых надежно выдерживает рабочее напряжение установки и которыми допускается касаться токоведущих частей, находящихся под напряжением.

К основным изолирующим защитным средствам в установках любого напряжения относятся изолирующие штанги для оперативных переключений, для производства измерений, для наложения заземления и других целей и изолирующие клещи для предохранителей, а в установках низкого напряжения, кроме того, – диэлектрические перчатки и рукавицы и монтерский инструмент с изолирующими ручками.

Дополнительными защитными средствами называются такие приспособления, которые сами по себе не могут обеспечить безопасность от поражения током и служат для усиления действия основных защитных средств, а также служат для защиты от напряжения прикосновения, шагового напряжения и от ожогов электрической дугой. К дополнительным защитным изолирующим средствам в установках высокого напряжения относятся: диэлектрические перчатки и рукавицы, диэлектрические боты, резиновые коврики и дорожки, изолирующие подставки. При всех операциях на высоком напряжении основные защитные средства следует применять совместно с дополнительными. Защитные средства, как находящиеся в употреблении, так и содержащиеся в запасе, должны быть занумерованы и в определенные сроки их состояние должно быть проверено.

Ремонтные и монтажные работы должны производиться при отключенном оборудовании. Если же установку по тем или иным причинам отключить нельзя, то при работе под напряжением необходимо соблюдать правила техники безопасности, используя защитные приспособления (изолирующие подкладки, резиновые перчатки, защитные очки и др.).

При работах под высоким напряжением должны быть соблюдены следующие меры предосторожности:

1) работы должны производиться только группой рабочих (не менее двух), с тем чтобы один из них мог подать помощь другому при несчастном случае;

2) рабочие должны быть хорошо изолированы от земли;

3) во время производства работ рабочие не должны прикасаться к лицам, стоящим неизолированно, а также к металлическим частям;

4) перед началом работ все защитные приспособления должны быть тщательно проверены самими рабочими.

Перед началом работы в установках и оборудовании высокого напряжения необходимо при помощи соответствующих приборов убедиться в отсутствии напряжения в той части установки, в которой будет производиться работа. Затем нужно произвести разрядку собирательных шин, кабелей трансформаторов, проверить их на короткое замыкание, замкнуть их и надежно заземлить.

Оглавление

1. ИСТОРИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ

2. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

3. ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ В ОДНОРОДНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

4. ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ В НЕОДНОРОДНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

5. ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОНОВ В ОДНОРОДНОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ

6. ЭЛЕКТРОНЫ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ

7. СОБСТВЕННАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ И ДЫРОЧНАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДИМОСТИ

8. ПРИМЕСНАЯ ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ

9. ДИФФУЗИЯ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

10. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОТСУТСТВИИ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

11. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ДЕЙСТВИИ ПРЯМОГО НАПРЯЖЕНИЯ

12. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОБРАТНОМ НАПРЯЖЕНИИ

13. ВОЛЬТ-АМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

14. ЕМКОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

15. ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ ДЛЯ ВЫПРЯМЛЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

16. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ТРАНЗИСТОРАХ

17. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТРАНЗИСТОРЕ

18. ОСНОВНЫЕ СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ ТРАНЗИСТОРОВ

19. ЧАСТОТНЫЕ СВОЙСТВА ТРАНЗИСТОРОВ

20. ИМПУЛЬСНЫЙ РЕЖИМ ТРАНЗИСТОРОВ

21. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ТРАНЗИСТОРОВ

22. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫХ ПРИБОРАХ И ПРИНЦИПЫ ИХ КЛАССИФИКАЦИИ

23. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ДИОДА

24. ТРИОД И ЕГО ЦЕПИ

25. ПРОСТЫЕ И СЛОЖНЫЕ КАТОДЫ

26. КАТОДЫ ПРЯМОГО И КОСВЕННОГО НАКАЛА

27. ЗАКОН СТЕПЕНИ ТРЕХ ВТОРЫХ ДЛЯ ДИОДА

28. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТРИОДЕ

29. ДЕЙСТВУЮЩЕЕ НАПРЯЖЕНИЕ И ЗАКОН СТЕПЕНИ ТРЕХ ВТОРЫХ ДЛЯ ТРИОДА

30. ТОК СЕТКИ В ТРИОДЕ

31. РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРИОДА

32. УСТРОЙСТВО И РАБОТА ТЕТРОДА

33. ДИНАТРОННЫЙ ЭФФЕКТ В ТЕТРОДЕ

34. УСТРОЙСТВО И РАБОТА ПЕНТОДА

35. ПАРАМЕТРЫ ТЕТРОДОВ И ПЕНТОДОВ

36. УСТРОЙСТВО И РАБОТА ЛУЧЕВОГО ТЕТРОДА

37. ПРИНЦИП ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ

38. ЛАМПЫ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЧАСТОТЫ

39. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ ЛАМП С ДВОЙНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

40. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТИПЫ ПРИЕМНО-УСИЛИТЕЛЬНЫХ ЛАМП

41. ВИДЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАЗРЯДОВ В ГАЗАХ

42. ТЛЕЮЩИЙ РАЗРЯД

43. СТАБИЛИТРОНЫ

44. ГАЗОТРОНЫ

45. ТИРАТРОНЫ ДУГОВОГО РАЗРЯДА

46. ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВЫЕ ТРУБКИ

47. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ ЛАМП НА СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ

48. ВХОДНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ И ПОТЕРИ ЭНЕРГИИ В ЛАМПАХ

49. ПРОЛЕТНЫЙ КЛИСТРОН

50. ЛАМПЫ БЕГУЩЕЙ И ОБРАТНОЙ ВОЛНЫ

51. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСТВЕ И ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕОРИИ

52. ЗАКОН КУЛОНА. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

53. ПРОВОДНИК И ДИЭЛЕКТРИК В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

54. ГЛАВНЕЙШИЕ ЭЛЕКТРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

55. ПОНЯТИЕ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ТОКЕ. ЗАКОН ОМА

56. СОЕДИНЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ МЕЖДУ СОБОЙ. ПЕРВЫЙ ЗАКОН КИРХГОФА

57. ВТОРОЙ ЗАКОН КИРХГОФА. МЕТОД НАЛОЖЕНИЯ

59. АККУМУЛЯТОРЫ

60. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ

61. ЭЛЕКТРОСВАРКА

62. ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

63. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ

64. ПОЛУЧЕНИЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

65. ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

66. КОЛЕБАТЕЛЬНЫЙ КОНТУР

67. ТРЕХФАЗНЫЙ ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК

68. ТРАНСФОРМАТОРЫ

69. УСТРОЙСТВО И ТИПЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ

70. АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

71. СИНХРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

72. УСТРОЙСТВО ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА

73. ТИПЫ ГЕНЕРАТОРОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

74. ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ

75. ВЫПРЯМИТЕЛИ

76. ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

77. УСТРОЙСТВО ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

78. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ

79. РЕОСТАТЫ

80. ИЗМЕРЕНИЕ АКТИВНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ

81. ИЗМЕРЕНИЕ АКТИВНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

82. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИВОД

83. ИЗОЛЯЦИЯ, ФОРМЫ ИСПОЛНЕНИЯ И ОХЛАЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

84. ЗАЩИТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДВИГАТЕЛЕЙ

85. КОНТАКТОРЫ И КОНТРОЛЛЕРЫ

86. СПОСОБЫ ПУСКА ДВИГАТЕЛЕЙ

87. РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ДВИГАТЕЛЕЙ

88. АККУМУЛЯТОРНЫЕ БАТАРЕИ

89. РЕЖИМ РАБОТЫ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ

90. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВАХ

Реклама на сайте