Электротехника и электроника. Часть 2

1. Электротехника и электроника. Часть 2

Курс лекций для колледжа
по программе СПО.
Автор:
Михайлова Татьяна Андреевна

2. Тема 4. Электрические цепи переменного тока

3. Занятие 33. Переменная ЭДС.

4.

а) Вращение витка в равномерном
магнитном поле
В рамке, имеющей два активных
проводника длиной l (см. рис.33.1) ,
при ее вращении в поле
постоянного магнита возникает
ЭДС, равная

5.

Рис.33.1. Генератор для получения переменного тока.

6.

Видео
Контур с током
в магнитном поле
Смотреть

7.

Рис.33.2. Вращение рамки в магнитном поле

8.

При равномерном вращении рамки
линейная скорость проводника не
изменяется и будет равна:
Где: D – диаметр рамки.(м)
ω – угловая скорость вращения рамки,
( градус/с)

9.

Угол между направлением скорости и
направлением магнитного поля
изменяется пропорционально времени:
Угол β определяет положение
вращающейся рамки относительно
плоскости, перпендикулярной
направлению магнитной индукции.
(см.рис.33.2)

10.

Положение рамки в момент начала
отсчета времени t = 0 характеризуется
углом β = 0.
Поэтому ЭДС в рамке является
синусоидальной функцией времени :
Наибольшей величины ЭДС достигает
при угле β= ωt = 90°; sin ωt=1

11.

• Заменим
тогда мгновенное значение ЭДС при
любом угле поворота рамки β
определится выражением:
В рассмотренном случае синусоидальное
изменение ЭДС достигается за счет
непрерывного изменения угла, под которым
проводники пересекают линии магнитной
индукции.

12.

Рис.33.2. Вращение рамки в магнитном поле

13.

График, полученной при вращении витка в поле
постоянного магнита, переменной ЭДС
показан на рисунке 33.3.
Положения 1 и 3 соответствуют угу поворота
β=0 и β=180°, положения 2 и 4
соответствуют углу поворота β=90° и β=270°.
Рис.33.3. График переменной ЭДС

14.

Видео
Генератор переменного тока
Смотреть

15. Занятие 34. Параметры переменного тока

16. Видео. Цепи синусоидального тока. Смотреть

17.

а) Уравнение и график
синусоидально изменяющихся
величин.
Уравнение любой синусоидально
изменяющейся величины имеет
вид:

18.

Рис.34.1. График синусоидально изменяющейся
величины.

19.

Уравнением и графиком задаются все
характеристики синусоидально
изменяющейся величины:
амплитуда Еm ,
угловая частота ω ,
начальная фаза ψ ,
период T,
частота f ,
мгновенная величина для любого момента
времени e.

20.

б) Параметры переменной величины.
Приведенные ниже определения
распространяются на все величины,
изменяющиеся по синусоидальному
закону (ЭДС, ток, напряжение и др.).
Для краткости изложения излагаем
определения только для
электродвижущей силы.
Мгновенная величина (или мгновенное
значение) е — величина ЭДС в
рассматриваемый момент времени.

21.

• Период Т — наименьший интервал
времени, по истечении которого
мгновенные величины периодической
ЭДС повторяются. Если аргумент
синусоидальной функции выражается в
углах, то период выражается
постоянной величиной 2π.
• Частота f— величина, обратная
периоду: т. е. частота равна числу
периодов переменной
ЭДС в
секунду. Частота выражается в герцах
(Гц).

22.

Амплитуда Еm — наибольшая величина,
которую принимает ЭДС в течение
периода.
Фаза (фазовый угол ωt ±ψ)— аргумент
синусоидальной ЭДС, отсчитываемый
от ближайшей предшествующей точки
перехода ЭДС через нуль к
положительному значению.
Начальная фаза ψ —фаза
синусоидальной ЭДС в начальный
момент времени

23.

Угловая частота ω — скорость
изменения фазы. За время одного
периода Т фазовый угол равномерно
изменяется на 2π, поэтому

24.

Две синусоидальные величины, имеющие
разные начальные фазы, называются
сдвинутыми по фазе.
Синусойда тока (см. рис.33.2 ) опережает
синусойду напряжения на угол 90° (π/2),
следовательно начальная фаза тока
будет равна π/2.

25.

Рис.34.2. Графики тока и напряжения,
сдвинутых по фазе на π/2

26.

в) Действующая величина переменного
тока
При определении действующей величины
переменного тока необходимо исходить
из какого-либо его действия в
электрической цепи (теплового,
механического взаимодействия
проводов с токами и т. д. ).
Будем исходить из теплового действия
тока.

27.

Если за один и тот же промежуток
времени измерить количество тепла,
выделенное на активном элементе
электрической цепи, постоянным и
переменным током, то окажется, что
постоянный ток выделит тепла больше,
чем переменный.
Чтобы постоянный и переменный ток
выделили одинаковое количество
тепла, необходимо уменьшить
амплитуду постоянного тока.

28.

• Рассчитано, что при выполнении этого
условия амплитуда постоянного тока
будет составлять 0,707 от амплитуды
переменного тока.
• Действующая величина переменного
тока I численно равна величине
постоянного тока, который в одном и
том же элементе цепи за время
периода Т выделяет столько же тепла,
сколько при тех же условиях выделяет
переменный ток.

29. Занятие 35 Сложение и вычитание синусоидальных величин.

30.

а) Сложение синусоидальных
величин, выраженных в виде
графиков
На рисунке 35.1.показаны две
синусоидальных величины (графики
1 и 2) . Для того, чтобы получить
суммарный график (график 3)
необходимо сложить значения
ординат в одноименных временных
значениях графиков 1 и 2.

31.

32.

Например, для получения ординаты точки
а3 в момент времени t 1 суммировали
ординаты точек а1 и а2 в этот же момент
времени.
Аналогично получают и график разности
синусоидальных величин.
Этот способ неудобен и применяется
редко.
Для проведения математических
операций с синусоидальными
величинами их представляют в виде
векторов.

33.

б) Изображения синусоидальных величин в векторной
форме
Рис.35.2. Представление синусоидальной величины в векторной форме
Пусть отрезок прямой длиной Im начинает вращаться
вокруг оси 0 , через какое-то время t, он образует с
горизонтальной осью угол φ, и вращается против
часовой стрелки с постоянной угловой скоростью ω.
Проекция отрезка на вертикальную ось в момент
времени t.

34.

Когда отрезок повернется на угол α1,
проекция его .
Откладывая углы α1, α2, ...на
горизонтальной оси, а проекции отрезка
прямой - на вертикальной оси, получим
ряд точек синусоиды (рис. 35.2).

35.

36.

Пусть даны два синусоидальных тока
Нужно сложить эти токи и получить
результирующий ток:

37.

Представим синусоидальные токи i1 и i2 в виде двух
радиус - векторов, длина которых равна в соответствующем
масштабе I1m и I2m. Эти векторы расположены в начальный
момент времени под углами φ1 и φ2 относительно
горизонтальной оси.
Сложим геометрически отрезки I1m и I2m. . Получим
отрезок, длина которого равна амплитудному значению
результирующего тока I3m.

38. Занятие 36 Векторная диаграмма.

39.

Векторная диаграмма - это совокупность
векторов, изображающих
синусоидальные напряжения, токи и
ЭДС одинаковой частоты.
а) Представление синусоидальных величин
неподвижными векторами.

40.

«Остановим» вращение векторов,
представляющих токи и напряжения в
момент t = 0.
Тогда мгновенному значению синусоиды
i (0) =Im sin φ соответствует вектор длиной Im,
повернутый на угол φ от горизонтали против
часовой стрелки .
Этот вектор представляет или отображает
синусоиду i(t) = Imsin (ωt+φ), т. е. дает
информацию о ее двух отличительных
параметрах: амплитуде Im и начальной фазе -φ.

41.

б) Сложение векторных величин.
Cложение векторов на плоскости выполняется по
правилу параллелограмма (см.рис.36.2):
результирующий вектор есть диагональ
параллелограмма, сторонами которого являются
слагаемые векторы.
В целях упрощения рисунка сложение рекомендуется
проводить другим способом: путем переноса второго
слагаемого вектора параллельно самому себе так,
чтобы его начало совпало с концом первого
слагаемого вектора.
Тогда вектор, равный сумме двух векторов,
Ī рез = Ī m1 + Ī m2 проводится из начала первого
вектора в конец второго.

42.

Рис.36.2 Сложение векторов.

43. Занятие 37 Контрольная работа №6

44. Занятие 38 . Активное сопротивление в цепи переменного тока.

45. Активное сопротивление в цепи переменного тока.

Рис.38.1. а) цепь с активным сопротивлением. б) графики тока и напряжения.
в) векторные диаграммы

46.

• На вход схемы (рис.38.1) подано
напряжение, изменяющееся по закону
u = Um sin ωt.
• Цепь содержит только активное
сопротивление R
• Выражение для мгновенного тока
найдем по закону Ома:
Где:
- амплитуда тока.

47.

• Из уравнений напряжения и тока видно,
что начальные фазы обеих кривых
одинаковы, т. е. напряжение и ток в
цепи с сопротивлением R совпадают по
фазе.
• Это показано на графиках и векторной
диаграмме (см.рис.38. 1 б,в.).
• Активное сопротивление не реагирует
на изменение частоты тока в цепи.

48. Занятие 39 Цепь переменного тока с индуктивностью

49.

а) Индуктивное сопротивление
Катушка из тонкого провода, намотанная на
сердечник (или без сердечника),
включенная в цепь переменного тока,
обладает индуктивным сопротивлением.
Величина индуктивного сопротивления
определяется выражением:

50.

Где: ХL – индуктивное сопротивление,
Ом.
ω – циклическая частота, рад/с
L – индуктивность катушки, Гн "генри"
f – частота тока в цепи, Гц.
При повышении частоты тока
индуктивное сопротивление
увеличивается, а при снижении
частоты тока – уменьшается.
То есть индуктивное сопротивление
реагирует на частоту тока в цепи,
поэтому его еще называют реактивным.

51.

Индуктивность катушки L зависит от конструкции
катушки (числа витков, наличия сердечника и
его материала, конфигурации катушки и других
факторов)
Рис.39.1 Катушка
индуктивности с
сердечником
1 – сердечник
2 – обмотка катушки

52.

б) Ток и напряжение в цепи переменного
тока с катушкой индуктивности.
а) Схема цепи с индуктивностью
б) Векторная диаграмма
цепи с индуктивностью
в) Графики тока и напряжения
в цепи с индуктивностью
Рис.39. 1. Электрическая цепь
с индуктивностью.

53.

При прохождении синусоидального тока
напряжение на катушке будет равно
то есть напряжение на индуктивности
опережает ток по фазе на угол 90°
(π /2).

54. Видео. Индуктивность в цепи постоянного и переменного тока. Смотреть

55. Занятие 40 Цепь переменного тока с емкостью

56.

а) Емкостное сопротивление
Две металлических пластины,
разделенные диэлектриком,
называются электрическим
конденсатором и обладают емкостным
сопротивлением

57.

• Величина емкостного сопротивления
определяется выражением:
• Где:
ХС – емкостное сопротивление, Ом.
ω – циклическая частота, рад/с
С – емкость конденсатора , Ф "фарад"
f – частота тока в цепи, Гц.

58.

При повышении частоты тока емкостное
сопротивление уменьшается, а при
снижении частоты тока – увеличивается.
То есть емкостное сопротивление реагирует на
частоту тока в цепи, поэтому его еще
называют реактивным. Для постоянного тока
f =0, поэтому для постоянного тока
конденсатор имеет бесконечно большое
сопротивление.
Емкость конденсатора зависит от площади
пластин, толщины диэлектрика и его
диэлектрической проницаемости.

59.

б) Ток и напряжение в цепи переменного тока с
конденсатором.
а) Схема цепи с конденсатором
б) Векторная диаграмма.
Рис.40 1. Электрическая цепь
с конденсатором.
в) Графики тока и напряжения
в цепи с емкостью

60.

При прохождении синусоидального тока
напряжение на конденсаторе будет равно
то есть напряжение на конденсаторе
отстает от тока по фазе на угол 90° (π
/2).

61. Видео. Емкость в цепи переменного тока Смотреть

62. Занятие 41 Цепь с последовательным соединением RL и RC

63.

а) Последовательное соединение
индуктивности и активного
сопротивления
Реальная катушка имеет активное и
индуктивное сопротивления.
Рис.41.1 Электрическая цепь реальной катушки индуктивности

64.

Построим векторную диаграмму и графики для
этого случая.
На рис.41.2 вектор I обозначает
переменный ток катушки.
Часть напряжения сети,
падающая в сопротивлении R
изображена вектором UR,
совпадающим по фазе с током.
Напряжение на индуктивности
показано вектором UL , который
опережает ток на угол 90о .
Рис.41.2. Векторная диаграмма
для цепи
с последовательным
соединением R и L.

65.

Напряжение сети U должно быть равно геометрической
сумме активного UR и индуктивного UL падений
напряжения. Для получения геометрической суммы
необходимо на векторах UR и UL построить
параллелограмм. Его диагональ (равнодействующая)
даст напряжение сети U.
Ток в цепи с последовательно соединенными активным
сопротивлением и индуктивностью будет иметь одно
и то же значение. Поэтому, разделив величины
векторов напряжений на одно и то же значение тока,
мы получим значения сопротивлений цепи. Они
образуют треугольник сопротивлений

66.

Из треугольника
сопротивлений следует,
Где: Z - полное
сопротивление цепи (Ом)
R - активное сопротивление
цепи (Ом)
Рис.41.3.
Треугольник сопротивлений
XL - индуктивное
сопротивление цепи (Ом)

67.

б) Последовательное соединение емкости и
активного сопротивления
Реальный конденсатор имеет активное и
емкостное сопротивления.
Рис.41.4. Электрическая цепь реального конденсатора

68.

• Построим векторную диаграмму и графики для этого
случая. На рис.41.5 вектор I обозначает переменный
ток катушки.
Часть напряжения сети, падающая в сопротивлении R
изображена вектором UR , совпадающим по фазе с
током. Напряжение на индуктивности показано
вектором UС , который отстает от тока на угол 90о .
Напряжение сети U должно быть равно геометрической
сумме активного UR и емкостного UС падений
напряжения. Для получения геометрической суммы
необходимо на векторах UR и UС построить
параллелограмм. Его диагональ (равнодействующая)
даст напряжение сети U .

69.

Рис.41.6. Треугольник сопротивлений
Рис.41.5. Векторная диаграмма для цепи
с последовательным соединением R и С.

70.

Из треугольника сопротивлений следует,
что
Где: Z - полное сопротивление цепи
(Ом)
R - активное сопротивление цепи (Ом)
XС - емкостное сопротивление цепи (Ом)

71. Занятие 42 . Комплексный метод расчета цепей переменного тока.

72.

а) Понятие о комплексных числах
Векторы можно изображать не только на
плоскости хОу, но и на комплексной плоскости в
виде комплексного числа.
Комплексное число состоит из вещественной
(действительной) (X) и мнимой частей.(Yj)
Алгебраическая форма комплексного числа имеет
вид:
z= x + yi,
На графиках по оси абсцисс откладывают
действительную часть, а по оси ординат —
мнимую часть комплексного числа.

73.

Действительную ось обозначают
+1 и -1,
а мнимую ось + j и – j
Буквой j обозначается в
электротехнике мнимая единица

74.

Каждой точке (x , y)
координатной
плоскости,
изображающей
комплексное число
z = x +jy,
соответствует
единственный
вектор, отложенный
от начала системы
координат и обратно
(рис.42.1).
Рис.42.1. Геометрическое представление
комплексного числа на плоскости

75.

рис. 42.2 координатная плоскость
Числу 2 + 3i соответствует точка A(2, 3) плоскости;
числу 2 – 3i точка B(2, – 3);
числу – 2 + 3i – точка C(– 2, 3);
числу – 2 – 3i – точка D(– 2; – 3).
числу 3i точка E(0, 3);
числу – 3i – точка F(0, – 3).

76.

б) Формы записи комплексных чисел.
Каждому вектору на комплексной
плоскости соответствует определенное
комплексное число, которое может быть
записано в :
• показательной
• тригонометрической
• алгебраической
формах.

77.

Модулем комплексного числа называется
длина вектора OP (см. рис.42.4) ,
изображающего комплексное число на
координатной (комплексной) плоскости.
Модуль комплексного числа a+ jb
обозначается | a+ jb | или буквой r и равен
Рис.42.4. Представление комплексных чисел
на плоскости

78.

Аргумент комплексного числа - это угол φ
между осью OX и вектором OP,
изображающим это комплексное число.
Отсюда,

79.

Тригонометрическая форма комплексного
числа.
Абсциссу a и ординату b комплексного
числа a + jb можно выразить через его
модуль r и аргумент φ:

80. Занятие 43 Комплексные сопротивления и проводимости

81.

В общем случае цепи
переменного тока
характеризуются несколькими
сопротивлениями:
• активным R
• индуктивным XL
• емкостным XC

82.

Комплексное полное сопротивление цепи
определяется выражениями:
Где: Z – полное сопротивление цепи (модуль
комплексного сопротивления)
R – активное сопротивление цепи
XL - индуктивное сопротивление цепи
XC - емкостное сопротивление цепи
X = XL - XC - реактивное сопротивление
цепи
φ – аргумент комплексного сопротивления

83.

Полное сопротивление цепи (модуль
комплексного сопротивления) определяется
по формуле:
Аргумент комплексного сопротивления
определяется по формуле:

84.

Величина, обратная полному сопротивлению
называется комплексной проводимостью.
Где: Y - полная проводимость цепи, (1/Ом)
G - активная проводимость цепи, (1/Ом)
B - реактивная проводимость, (1/Ом)

85.

Активная проводимость определяется
Реактивная проводимость определяется

86. Занятие 44 Резонанс напряжений

87.

Схема последовательного соединения
активного сопротивления, катушки
индуктивности и конденсатора
приведена на рис.44.1.
Рис. 44.1. Схема последовательного соединения
активного сопротивления,
катушки индуктивности и конденсатора

88.

При последовательном соединении трех
элементов R, L, C векторная
диаграмма выглядит следующим
образом: вектор тока в цепи I отложен
горизонтально, с ним совпадает вектор
напряжения на активном сопротивлении
UR , вектор напряжения на
индуктивности U L направлен вверх, а
вектор напряжения на емкости UC
направлен вниз

89.

Рис.44.2. Векторная диаграмма напряжений при последовательном соединении
активного сопротивления, катушки индуктивности и конденсатора.

90.

Если падение напряжения на индуктивном
сопротивлении больше, чем на емкостном, то
результирующий вектор будет опережать
вектор тока на какой-то угол φ. В этом случае
говорят, что цепь имеет индуктивный
характер. (см.рис.44.3.)
Рис.44.3. Векторная диаграмма
цепи с индуктивным характером.

91.

Если падение напряжения на емкостном
сопротивлении больше, чем на индуктивном, то вектор
результирующего напряжения будет отставать от
вектора тока на какой –то угол φ. В этом случае
говорят, что цепь носит емкостный характер.
(см. рис.44. 4.)
Рис.44.4. Векторная диаграмма
цепи с емкостным характером.

92.

В общем случае уравнение напряжений в цепи
будет равно:
а уравнение сопротивлений :
Особенностью последовательного соединения
активного сопротивления, емкости и
индуктивности является возможность
возникновения резонанса напряжений.

93.

Представим, что в цепи с последовательно
соединенными активным сопротивлением, емкостью и
индуктивностью, частота тока увеличивается от
частоты f1
до частоты f2. (см. рис. 44.5.)
Рис.44.5. Изменение реактивных сопротивлений при изменении частоты тока.

94.

При увеличении частоты тока в цепи
емкостное сопротивление уменьшается, а
индуктивное увеличивается.
При каком – то значении частоты тока
емкостное сопротивление становится
равным индуктивному сопротивлению.
Эта частота называется резонансной.
Явления, происходящие в цепи с
последовательно соединенными R,L,C
при резонансной частоте называются
резонансом напряжения.

95.

При резонансе напряжение на емкости UC
равно напряжению на индуктивности U L . Но
так как они находятся в противофазе друг
другу сумма их равна нулю.
Условием резонанса является равенство
реактивных сопротивлений XL = XC или
Отсюда значение резонансной частоты
определиться

96.

Когда цепь не настроена в резонанс , ее полное
сопротивление определяется соотношением:
при резонансе, когда XL = XC, полное
сопротивление цепи будет равно :
или

97.

Таким образом полное сопротивление цепи при
резонансе оказывается равным активному
сопротивлению.
Уменьшение полного сопротивления цепи приводит к
тому, что сила тока в ней возрастает.
Рис.44.6. Векторная диаграмма
при резонансе напряжений.
Рис.44.7. Изменение тока
в цепи при резонансе.

98. Занятие 45 Параллельное соединение L и C. Резонанс токов.

99.

В цепи переменного тока, в которой
индуктивность и емкость соединены
параллельно (см.рис.45.1.) может
возникнуть резонанс токов.
Рис.45.1. Схема цепи
с параллельно
соединенными
емкостью и индуктивностью.

100.

В контуре с параллельно соединенными емкостью и
индуктивностью возникают свободные электрические
колебания. Поэтому такой контур называют
колебательным.
Колебания в контуре возникают вследствие
перехода электрического поля конденсатора в
энергию магнитного поля катушки и наоборот.
Этот процесс повторяется периодически.
В результате резонанса токов общий ток в цепи
может быть относительно мал, а в контуре
индуктивности и емкости, где происходят
электрические колебания, протекает
переменный ток , значительно больше общего.

101.

При резонансе XL =XC
или
Тогда
Это значение частоты в контуре называется
резонансной частотой. При этой частоте в
контуре будут протекать токи значительно
бо̀льшие по величине, чем во внешней цепи.

102. Занятие 46 Активная, реактивная и полная мощности.

103.

В отличии от постоянного тока, в
переменном токе рассматриваются
три вида мощности:
• полная мощность S=UI , ВА
• активная мощность Р= UI cos φ ,
Вт.
• реактивная мощность Q=UIsin φ ,
Вар.

104.

• Полная мощность генератора переменного тока
расходуется на активную и реактивную мощность.
• Активная мощность , расходуемая в активном
сопротивлении, преобразуется в полезную работу
или тепло, рассеиваемое в пространство.
• Реактивная мощность обусловлена колебаниями
энергии при создании и исчезновении электрических
и магнитных полей. Эта энергия то запасается в
полях реактивных сопротивлений, то возвращается
генератору, включенному в цепь.

105.

Связь между полной, активной и реактивной
мощностями определяется из треугольника
мощностей (см.рис.46.1.).
Из треугольника :
Рис.46. 1. Треугольник мощностей.

106. Занятие 47 Коэффициент мощности

107.

Коэффициентом мощности или
cos φ электрической сети
называется отношение активной
мощности к полной мощности.
показывает какая часть полезной
мощности содержится в полной.

108.

Чем меньше коэффициент мощности сети, тем менее
загружена сеть активной мощностью и тем меньше
коэффициент полезного действия использования сети.
В связи с этим необходимо, чтобы как можно большую
часть в полной мощности составляла именно активная
мощность, а не реактивная, в этом случае
коэффициент мощности будет ближе к единице.
Рис.47.1. Уменьшение реактивной мощности,
уменьшение угла φ. увеличение cos φ.

109.

Причины низкого коэффициента мощности:
Недогрузка асинхронных электродвигателей.
Потребляемая активная мощность уменьшается
пропорционально нагрузке, а реактивная мощность
изменяется меньше;
Неправильный выбор типа электродвигателя.
Двигатели быстроходные и большой мощности имеют
более высокий коэффициент мощности, чем
тихоходные и маломощные;
Повышение напряжения в сети. Ведет к увеличению
намагничивающего тока индуктивных потребителей
реактивной составляющей полного тока;

110.

Для увеличения коэффициента мощности
необходимо:
• изменить мощность и тип устанавливаемых
электродвигателей;
• увеличить загрузку электродвигателей в
процессе работы;
• уменьшить время работы в холостом режиме
оборудования потребляющего индуктивную
мощность;
• установить установку компенсации
реактивной мощности с конденсаторами

111. Занятие 48 Контрольная работа №7

112. Занятие 49 Устройство трехфазного генератора.

113.

Однофазные системы малоэффективны
вследствие несовершенства однофазных
электроаппаратов, в частности электромашин.
Так, например при одинаковых габаритах,
массе активных материалов ( стали и меди )
мощность однофазной машины в 1,5 раза
меньше трехфазной машины.
Многофазной системой называется цепь
переменного тока, в которой действуют две и
более ЭДС одинаковой частоты, но взаимно
смещенные по фазе на определенные углы.
Отдельные цепи, составляющие многофазную
систему, называются фазами.

114.

Трехфазная система состоит из трех электрических
цепей , ЭДС источников которых имеют одинаковую
частоту, но сдвинуты по фазе относительно друг
друга на угол 120 градусов. См. рис.47.1.
Рис.47. 1. а) График ЭДС в трехфазной сети
б) Векторная диаграмма трехфазной сети

115.

В качестве источника электрической энергии в
трехфазной цепи используется трехфазный
генератор.(см. рис.47.2).
Рис.47. 2. Схема устройства трехфазного генератора
и условное обозначение трехфазной обмотки.

116.

Рис.47.3. Устройство трехфазного генератора

117.

Трехфазная обмотка, расположенная на статоре
генератора, представляет собой три катушки
электрически сдвинутые относительно друг друга на
угол 120°.
При вращении ротора, представляющего собой
постоянный электромагнит, его магнитное поле
пересекает катушки, наводя в них ЭДС, сдвинутые
относительно друг друга на угол 120°.
(см. рис.47.1.а.)
Катушки (фазы) трехфазного генератора можно
соединять звездой или треугольником. Таким же
способом можно соединять и потребители
электрической энергии.

118. Занятие 50 Соединение трехфазной цепи звездой.

119.

Рис.50.1. Схема соединения трехфазной сети "звездой"

120.

• При соединении обмоток генератора "звездой "
концы всех трех фаз x, y, z соединяются между
собой, а от начал выводятся провода, отводящие
энергию в сеть.
• Полученные таким образом три провода называются
линейными, а напряжения между любыми двумя
линейными проводами – линейными напряжениями
Uл.
• От общей точки соединения концов трех фаз
(нулевой точки ) может быть отведен четвертый
провод, называемый нулевым. Напряжение между
любым из трех линейных проводов и нулевым
проводом называется фазным напряжением.Uф.

121.

Uл
U ФПри
соединении "звездой", соотношения между
линейным
и фазным напряжениями равны:
1,73
При соединении "звездой", соотношения между
линейным и фазным токами
Государственный стандарт предусматривает
Uл = 380 В, Uф = 220 В

122. Занятие 51 Соединение трехфазной цепи треугольником.

123.

Рис.51.1. Схема соединения трехфазной сети "треугольником"

124.

При соединении обмоток генератора
"треугольником", начало каждой фазы
соединяется с концом обмотки другой фазы.
Таким образом три фазы генератора образуют
замкнутый контур, в котором действует ЭДС ,
равная геометрической сумме ЭДС ,
индуктированных в фазах.
Линейные провода при соединении
треугольником подключены к точкам
соединения начала одной фазы и конца другой.
Напряжения между линейными проводами
равно напряжению между началом и концом
одной фазы.

125.

• При соединении треугольником линейное
напряжение Uл равно фазному U ф.
• При соединении "треугольником",
соотношения между линейным и фазным
токами равны:

126. Занятие 52 Вращающееся магнитное поле.

127.

• Одним из важнейших преимуществ
многофазных систем является
получение вращающегося магнитного
поля с помощью неподвижных катушек,
на чем основана работа двигателей
переменного тока.
• Магнитное поле, ось которого
вращается в пространстве с постоянной
угловой частотой, называется
вращающимся магнитным полем.

128.

Для этого в пазы пакета статора укладывают три
одинаковые обмотки (катушки), состоящие из двух
частей, располагающихся диаметрально
противоположно в пакете статора.
Причем оси трех обмоток статора смещены по
отношению друг к другу на 120° .
Обозначим начала витков обмоток буквами A, B и C,
а концы витков буквами X, Y и Z.
Обозначим также направления протекания тока в
витках обмоток, считая положительным направление от
начала к концу обмотки.
Тогда для положительных значений тока стороны A,
B и C будут обозначены крестом, а стороны X, Y и Z –
точкой( рис.52.1).

129.

Рис.52.1. Вращающееся магнитное поле

130.

• При подключении обмоток статора к
трехфазной сети переменного тока в
обмотках будут протекать токи , смещенные
во времени (по фазе) друг относительно
друга на 120° электрических так, как это
показано на рисунке.
Выделим в пределах периода шесть
моментов времени, отстоящих друг от друга
на 60° эл. и для каждого из них отметим
направления токов в обмотках с учетом
знаков токов в соответствующий момент
времени.

131.

В любой момент токи в двух половинах
пакета статора протекают в разных
направлениях и образуют магнитное поле, ось
которого совпадает с осью разделения
направлений токов, т.е. через каждые 60° эл.
ось магнитного поля поворачивается в
пространстве на 60° .
Таким образом, с помощью этой
симметричной системы обмоток, питающейся
от симметричной системы трехфазной сети мы
получили круговое вращающееся магнитное
поле.

132.

угловая частота вращения магнитного
поля равна:
[рад/с]
Число оборотов магнитного поля равно:
[об/мин],
где: f1- частота питающей сети,
p - число пар полюсов обмотки статора.

133.

• Отсюда возникает ряд возможных скоростей
вращения магнитного поля для
промышленной сети частотой 50 Гц:
3000, 1500, 1000, 750, 600 и т.д. [об/мин]
• Направление вращения магнитного поля
определяется последовательностью
подключения обмоток к трехфазной сети.
• Для изменения направления вращения
достаточно поменять местами точки
подключения двух любых обмоток.

134. Занятие 53 Принцип работы асинхронного двигателя.

135.

Наибольшее распространение среди
электрических двигателей получили
трехфазные асинхронные двигатели.
Асинхронный двигатель состоит из двух
принципиально важных частей :
• неподвижной части – статора
• подвижной – ротора.

136.

На статоре расположена трехфазная обмотка.
При подключении обмотки статора к трехфазной сети в
ней возникает вращающееся магнитное поле.
Скорость вращения зависит от числа полюсов
обмотки статора и определяется формулой:
Таким образом , при одной паре полюсов
р=1, n1= 3000 об/мин,
при р=2, n1 = 1500 ,
при р=3, n1 = 1000 ,
при р=4, n1 = 750 об / мин.

137.

На роторе устанавливается, как правило,
короткозамкнутая обмотка изготовленная в
виде алюминиевых стержней закороченных с
обоих сторон кольцами. Такая обмотка
называется "беличьим колесом".
В начальный момент ротор неподвижен,
поэтому вращающееся магнитное поле
статора с большой скоростью пересекает
стержни обмотки ротора, наводя в них
большую ЭДС.
Так как стержни замкнуты накоротко, то в
обмотке ротора возникает большой ток .

138.

Этот ток называется пусковым. Его значение
обычно превышает значение номинального
тока в 7 раз.
Если этот ток будет действовать длительно,
то это может привести к выходу двигателя из
строя.
При возникновении тока в обмотке ротора в
нем также возникает магнитное поле, которое
взаимодействуя с вращающимся магнитным
полем статора приводит ротор во вращение .
При увеличении скорости вращения ротора взаимная
скорость перемещения полей статора и ротора
уменьшается, уменьшается ЭДС и ток в роторе,
достигая номинального значения.

139.

1 – передний
подшипниковый щит
2 – выходной конец вала
3 – уплотнение
подшипника
4 – шарикоподшипник
5 – лопатки вентилятора
ротора
6 – короткозамыкающее
кольцо
7 – болт
8 – станина
9 – рым-болт
Рис.53.1. Общий вид асинхронного двигателя переменного тока.

140.

10 – сердечник статора
11 – сердечник ротора
12 – обмотка статора
13 – винт крепления
кожуха вентилятора
14 – кожух вентилятора
15 – задний
подшипниковый щит
16 – вентилятор
17 – стопорное кольцо
18 – стопорный винт
вентилятора
Рис.53.1. Общий вид асинхронного двигателя переменного тока.

141.

Однако, исходя из принципа работы
двигателя, скорость вращения ротора никогда
не станет равной скорости вращающегося
магнитного поля статора, так как при этом
пропадает возможность индуктирования ЭДС в
обмотке ротора и, соответственно,
возникновения магнитного поля ротора.
Это противоречит принципу работы
двигателя. Двигатель потому и называется
асинхронным, потому что скорость вращения
ротора всегда меньше скорости вращающегося
магнитного поля статора.

142.

Относительное отставание ротора от вращающегося
магнитного поля статора характеризуется
скольжением.
Где: n1 – скорость вращающегося магнитного поля
статора.
n2 – скорость вращения ротора
При пуске s = 1 , при номинальном режиме работы
двигателя s= 4 – 6 % .

143. Видео. Устройство асинхронного двигателя. Смотреть

144. Занятие 54 Индуктивно связанные элементы в цепи переменного тока.

145.

а) Индуктивно связанные катушки
Две катушки называются индуктивно
связанными, если изменение тока в
одной из них вызывает возникновение
напряжения в другой катушке.
Рис.54.1.а
Рис.54.1.б

146.

На рисунке 54.1 «а» показано
электромагнитное устройство с двумя
обмотками (трансформатор), принцип
действия которого основан на использовании
явления взаимной индукции.
ЭДС взаимной индукции наводится во
вторичной обмотке при изменении тока в
первичной обмотке будет равна:

147.

Где: М - взаимная индуктивность
обмоток;
i- ток в первичной обмотке;
е2 - ЭДС взаимной индукции, наведенная
во вторичной обмотке.
- скорость изменения тока в
обмотке
Если имеется взаимная индукция, то
говорят, что обмотки индуктивно или
магнитно связаны.

148.

Связь осуществляется посредством
магнитного потока Ф.
В устройстве на рисунке 54.1. магнитный
поток Ф, созданный током i
пронизывает обе обмотки и называется
магнитным потоком взаимной индукции.
Взаимная индуктивность, как и
индуктивность, измеряется в генри (Гн).
В отличие от собственной индуктивности L взаимная
индуктивность М обозначает не какой-либо
самостоятельный элемент электрической цепи, а
лишь магнитную связь между индуктивными
элементами.

149.

Между индуктивностями L1и L2 контуров
и взаимной индуктивностью М
существует следующая зависимость:
Однако эта формула верна, когда весь поток,
создаваемый первым контуром, сцепляется с
витками второго контура.
На практике М меньше т.е.
Величина k меньше единицы и называется
коэффициентом связи катушек.

150.

б) Трансформатор
Трансформатором называется
статический электромагнитный аппарат
для изменения величины напряжения
или тока.
Конструктивная схема трансформатора
(см.рис.54.2) имеет магнитопровод 3 из
электротехнической стали и две
обмотки на магнитопроводе: первичную
1 с числом витков ω1 и вторичную 2 с
числом витков ω2.
Обмотки выполняют из медного провода.

151.

Рис.54.2. Трансформатор

152. Видео. Трансформатор Смотреть

153.

Первичная обмотка трансформатора
включается в сеть переменного
напряжения U1 , и в ней возникает ток I1.
Ко вторичной обмотке ω2
подключается приемник электрической
энергии.
Рассмотрим трансформатор с
разомкнутой цепью вторичной обмотки,
т. е. в режиме холостого хода.

154.

При переменном токе в первичной
обмотке создается переменный
магнитный поток Ф , который
замыкается по стальному сердечнику
образует потокосцепление с обеими
обмотками.
Таким образом, в трансформаторе
обмотки электрически между собой не
связаны, а связаны переменным
магнитным потоком.

155.

• В обеих обмотках наводится ЭДС:
• Отношение ЭДС:
Отношение чисел витков обмоток
трансформатора k называется
коэффициентом трансформации.

156.

Отношение ЭДС при холостом ходе
можно заменить отношением
напряжений на зажимах обмоток,
учитывая, что u1 ≈ e1 , u2 ≈ e2
Следовательно,
отсюда видно, что при ω2>ω1(u2>u1)
трансформатор повышает,
при ω2<ω1 (u2<u1) — понижает
напряжение.

157.

в) Режимы работы трансформатора
Режим работы трансформатора зависит от величины
нагрузки во вторичной обмотке.
На Рис.54.3. показано условное обозначение
трансформатора Тр1 с подключенной выключателем
Вк нагрузкой (потребителем).
Рис.54.3. Схема подключения трансформатора

158.

Для трансформаторов характерны следующие
режима работы:
Режим холостого хода.
Когда отключена нагрузка R
(Вк разомкнут), и во вторичном разомкнутом
контуре II ток нагрузки
равен нулю:
Эдс Е2 во вторичной обмотке равна:
В первичной обмотке w1 протекает ток холостого
хода Io.

159.

• Режим рабочего хода, или рабочий режим.
При подключении нагрузки R ко
вторичной обмотке w2 (Рис.54.3.,
выключатель Вк замкнут), образуется
замкнутый контур II.
• В этом контуре потечет ток Iн2, а на обмотках
установится напряжение U2 и U1. Ток
Iн2,проходящий по вторичной обмотке,
создаст свой магнитный поток Ф2,
направленный навстречу магнитному потоку
Ф1 первичной обмотки w1 , и стремится его
уменьшить.
• Магнитный поток Ф1 стремится уравновесить
магнитный поток Ф2.

160.

• По этому при увеличении тока Iн2
увеличивается значение тока Iн1. Но
магнитный поток Ф1 зависит от величины
тока нагрузки Iн2 , следовательно при
изменении нагрузки во вторичном контуре II,
влечет к изменению величины тока в
первичном контуре I. Отсюда можно сказать,
пренебрегая потерями в сердечнике и в
обмотках, что величина энергии
потребляемой нагрузкой из вторичной
обмотки, прямо пропорциональна энергии
подаваемой из первичной обмотки

161.

Режим короткого замыкания.
• В этом режиме выводы вторичной обмотки
соединяются между собой без нагрузки.
Следует различать эксплуатационное
короткое замыкание, которое происходит в
электрической цепи и расценивается как
аварийная работа, и опытное короткое
замыкание.
При эксплуатационном
коротком замыкании (аварийный режим) ток
во вторичной цепи достигает очень большой
величины. Соответственно резко
увеличивается ток и в первичной обмотке,
что приводит к перегреву изоляции и выходу
трансформатора из строя.

162.

г) Мощность и КПД трансформатора
• Потери мощности в трансформаторе.
Потери энергии в трансформаторе
складываются из следующего вида потерь:
• потери на гистерезис(перемагничивание) в
магнитопроводе трансформатора. Эти потери
зависят от сорта стали , качества сборки
сердечника, изоляционных свойств
поверхности пластин.
• потери энергии в обмотках. Они зависят от
качества проводников, качества намотки и
качества изоляционных материалов.

163.

Мощность на вторичной обмотке
трансформатора всегда меньше мощности на
первичной обмотке на величину суммарных
потерь в трансформаторе.
где: Р2 – активная мощность во вторичной
обмотке трансформатора (Вт)
Р1 – активная мощность в первичной
обмотке трансформатора. (Вт)
∆Р – суммарные потери мощности в
трансформаторе. (Вт)

164.

• Примечание:
Реально на первичную обмотку
трансформатора подается полная мощность
S, поэтому прежде, чем вести расчет на
активную мощность и потери , необходимо
учесть величину сos φ. Тогда активная
мощность на первичной обмотке
трансформатора определяется по формуле :
Где: S – полная мощность (ВА)

165.

Коэффициент полезного действия
трансформатора.
Коэффициент полезного действия η
показывает, какая часть активной
мощности идет на выполнение
полезной работы.
КПД определяется по формуле :

166.

Коэффициент полезного действия η
является безразмерной величиной.
Иногда КПД определяют в процентах.
Для этого значение, полученное по
ранее указанной формуле умножают на
100.
КПД в мощных трансформаторах
достигает 0,98...0,99 (98% ÷ 99% )

167.

д) Автотрансформатор
Автотрансформаторы по принципу действия
ничем не отличаются от обычных
трансформаторов. Разница состоит в том,
что автотрансформатор имеет одну обмотку,
от которой сделаны выводы.

168.

Если автотрансформатор используется как
понижающий, то вся обмотка рассчитывается
на напряжение сети U1, в которую нужно
подключить автотрансформатор.
Один вывод обмотки считается общим и как
правило обозначается цифрой 0.
Вторичные напряжения U1,U2,..Un берутся от
выводов обмотки 1,2,3,…,n относительно к
общему выводу.
Если автотрансформатор используется как
повышающий, то часть обмотки
рассчитывается под напряжение сети U1, а
вывод делается от всей обмотки, на которой
образуется вторичное напряжение U2>U1.

169.

• Автотрансформаторы проще по конструкции. Имеют
стоимость ниже, чем трансформаторы, так как на их
изготовление расходуется меньше медного провода и
меньше трудозатрат при изготовлении обмоток.
• Но есть существенный недостаток. Первичные цепи и
вторичные цепи непосредственно имеют
металлическую связь. Эта конструктивная
особенность, во вторичных цепях, поддерживает
потенциал первичной цепи, что во многих случаях, изза требований безопасности и надежности,
недопустимо.
• По этой причине автотрансформаторы не получили
широкого распространения, особенно в электронной
отрасли производства.

170. Занятие 55 Трехфазный трансформатор

171.

Трехфазные трансформаторы
изготовляют главным
образом стержневыми.
Схема получения
трехфазного стержневого
трансформатора показана
на рис. 55. 1.

172.

Рис.55.1. Схема получения трехфазного
стержневого трансформатора из трех однофазных

173.

Три одинаковых однофазных
трансформатора выполнены так, что их
первичные и вторичные обмотки размещены на
одном стержне сердечника, а другой стержень
магнитопровода каждого трансформатора не
имеет обмотки.
Если эти три трансформатора расположить
так, чтобы стержни, не имеющие обмоток,
находились рядом, то эти три стержня можно
объединить в один — 0 .Через объединенный
стержень будут замыкаться магнитные потоки
трех однофазных трансформаторов, которые
равны по величине и сдвинуты по фазе на одну
треть периода

174.

Конструктивно обмотки трехфазных
трансформаторов выполняются так же, как и
обмотки однофазных.
Начала фаз обмоток высшего напряжения
обозначаются буквами А, В и С; концы фаз
обмоток высшего напряжения — X, Y и Z.
Если обмотка высшего напряжения имеет
выведенную нулевую точку, то этот зажим
обозначается буквой О.
Зажимы обмоток низшего напряжения
обозначаются буквами: а, в, с — начала фаз
и х, у, z — концы фаз; О — вывод нулевой
точки.

175.

Рис.55.2. Схема трехфазного трансформатора.

176.

• Обмотки трехфазных трансформаторов
могут быть соединены звездой и
треугольником.
• При соединении обмоток звездой концы
(или начала) всех трех фаз
соединяются между собой, образуя
общую нейтральную или нулевую точку,
а свободные зажимы начал (или
концов) трех фаз подключаются к трем
проводам сети источника (или
приемника) электрической энергии
переменного тока.

177.

• При соединении обмоток в треугольник
начало первой фазы соединяется с
концом второй, начало второй фазы —
с концом третьей, начало третьей фазы
— с концом первой.
• Точки соединения начала одной фазы с
концом другой подключаются к
проводам трехфазной сети
переменного тока.
• Соединение обмоток трехфазных
трансформаторов звездой
обозначается Y, а треугольником — Δ

178. Занятие 56 Контрольная работа №8

179. Занятие 57 Электронная эмиссия

180.

а) Общие определения.
Электронной эмиссией называют процесс
выхода электронов из твердых или жидких
тел в вакуум или газ.
Чтобы вызвать электронную эмиссию, надо
сообщить электронам добавочную энергию,
которую называют работой выхода.
Она различна для разных металлов. У
металлов, имеющих большие по сравнению с
другими межатомные расстояния, работа
выхода меньше. К ним относятся щелочные и
щелочноземельные металлы, например
цезий, барий, кальций.

181.

б) Основные виды электронной эмиссии.
Термоэлектронная эмиссия обусловлена
нагревом тела, эмитирующего электроны, и
широко используется в электронных приборах.
С повышением температуры энергия
электронов проводимости в проводнике или
полупроводнике растет и может оказаться
достаточной для совершения работы выхода.
Если вылетевшие электроны не отводятся
ускоряющим полем от эмитирующей
поверхности, то около нее образуется
скопление электронов ("электронное облачко").

182.

Электростатическая (или автоэлектронная)
эмиссия представляет собой вырывание электронов
сильным электрическим полем. Эту эмиссию иногда
называют «холодной», что неудачно, так как все
виды эмиссии, кроме термоэлектронной, можно
причислить к «холодным».
Вторичная электронная эмиссия обусловлена
ударами электронов о поверхность тела. При этом
ударяющие электроны называются первичными. Они
проникают в поверхностный слой и отдают свою
энергию электронам данного вещества. Некоторые
из последних, получив значительную энергию, могут
выйти из тела. Такие электроны называются
вторичными

183.

Электронная эмиссия под ударами
тяжелых частиц имеет сходство со
вторичной эмиссией. В большинстве
случаев испускание электронов
происходит от бомбардировки тела
ионами.
Фотоэлектронная эмиссия, т. е.
эмиссия электронов под действием
света или других излучений.

184. Занятие 58. Вакуумные лампы.

185.

а) Общее устройство электронных ламп.
Электронной лампой называется прибор (устройство), в
котором используется движение электронов между
электродами, помещенными в вакууме. Существует
много типов электронных ламп, различающихся по
назначению, конструкции, электрическим
параметрам и другим признакам. Электронные
лампы применяются для преобразования и усиления
электрических сигналов, генерирования
электрических колебаний, стабилизации напряжения
и тока, формирования импульсов и для других
целей.
На рисунке обозначены:
1 – анод (положительный электрод)
2 – Стеклянный баллон
3 – сетка (управляющий электрод)
4 – катод (отрицательный электрод)
5 – нить накала
Лампа состоит из герметичного баллона, в котором
смонтированы два или более электродов с
выводами на внешнюю часть баллона.

186.

Обязательными электродами каждой из ламп
являются катод и анод; во многих типах ламп
имеются и другие электроды.
В лампах осуществляется эмиссия электронов
с поверхности катода и размножение их в
объеме или на других электродах, а также
управление как плотностью, так и
направлением их движения между
электродами. Управление потоком
электронов осуществляют либо
электрическим, либо магнитным полем. В
первом случае к электродам лампы
подводится управляющее электрическое
напряжение, во втором применяются
индуктивные катушки,

187.

Катод является источником электронной
эмиссии и электродом для создания
электрического поля.
Катоды делятся на две большие группы:
• катоды прямого (непосредственного) накала
• подогревные (косвенного накала).
Анод является вторым электродом лампы, на
который относительно катода подается
напряжение, называемое анодным Ua , для
образования электрического поля. Анод
воспринимает электронный поток, и при
замкнутой анодной цепи лампа проводит
электрический ток.

188. б) Принцип действия вакуумного триода.

Электронная лампа может иметь кроме катода и анода
еще один электрод или более, называемый сеткой.
Лампа, содержащая катод, анод и одну сетку,
называется триодом.
Управляющая сетка располагается в промежутке между
катодом и анодом, но ближе к катоду.
Работа триода.
Катод накален, эмиттирует электроны, множество
которых образует вблизи катода электронное облако
- пространственный заряд с отрицательным знаком .
На аноде - положительное относительно катода
напряжение. Отрицательный потенциал на сетке
(Uс<0) повышает потенциальный барьер
пространственного заряда и ослабляет влияние
ускоряющего поля анода. Электроны не могут
пролететь сквозь сетку к аноду.

189.

Если на сетке будет положительное напряжение, то
электроны будут ускоряться положительным
электрическим полем и достигать анода в больших
количествах. Если к сетке подвести переменное
напряжение, то в лампе будет происходить процесс
периодического увеличения и уменьшения высоты
потенциального барьера и соответственно
уменьшения и увеличения анодного тока. Поэтому
сетку в триоде называют управляющим электродом.
Так как анодный ток значительно больше тока
управления на сетке, то мы имеем процесс
управления малым током сетки большого тока анода.
То есть происходит усиление колебаний. Таким
образом, вакуумный триод является усилителем
электрических колебаний.

190. в) Вакуумный диод

Вакуумный диод
представляет собой
электронную лампу с двумя
электродами – катодом и
анодом.
Если на катод подать
"минус" , а на анод – "плюс" ,
то в цепи лампы за счет
термоэлектронной эмиссии
будет протекать
электрический ток.

191.

Если поменять полярность источника (
"плюс" на катоде, "минус" – на аноде) ,
то электроны, вылетевшие из катода в
результате термоэлектронной эмиссии.
вернутся назад на катод. Тока в цепи
лампы между катодом и анодом не
будет. Таким образом вакуумный диод
обладает свойством односторонней
проводимости.
Это свойство диода используется для
выпрямления переменного тока. ( см.
рисунок)

192. Занятие 59 Электронно-лучевая трубка

193.

Электроннолучевой прибор — это
электровакуумный прибор, преобразующий
электрический сигнал в оптический с помощью
формирования электронного луча и управления его
интенсивностью и положением. Один из видов
электроннолучевого прибора — электроннолучевая
трубка.
Электроннолучевые трубки предназначены
для преобразования электрического сигнала в
оптическое изображение, которое получается на
специальном экране с люминесцирующим слоем,
светящимся под действием направленного на него
тонкого электронного луча.

194.

Электроннолучевые трубки могут быть использованы
для визуального наблюдения или фотографирования
электрических процессов, для отображения
информации в виде цифр, букв и других знаков, а
также графиков зависимости одной электрической
величины от другой или от времени.
Электроннолучевые трубки, предназначенные для
светящегося графического воспроизведения
электрического сигнала, называют
осциллографическими; на их основе построены
измерительные приборы, называемые
осциллографами.
Приемные электроннолучевые трубки,
предназначенные для воспроизведения телевизионных изображений, называют кинескопами.

195. Электронно-лучевая трубка с электростатическим управлением

На рисунке обозначены:
1 — катод;
2 — управляющий электрод;
3— аноды;
4 — отклоняющие пластины;
5 — аквадаг;
6 — экран;
7 — баллон
Электронно-лучевая трубка
представляет собой стеклянную
колбу вытянутой формы, с
расширением к торцу .
В колбе (баллоне) помещены:
электронный прожектор,
отклоняющая система
люминесцирующий экран.

196.

197.

Электронный прожектор создает поток
электронов, ускоряет их и фокусирует в узкий
луч, направленный вдоль оси трубки в центр
экрана, а также позволяет управлять
количеством электронов в луче, т. е.
интенсивностью свечения экрана.
Отклоняющая система предназначена для
управления движением электронного луча по
экрану путем одновременного отклонения
луча в двух взаимно перпендикулярных
направлениях — вертикальном и
горизонтальном..

198.

Экран служит для получения на нем светящегося
изображения.
В зависимости от способа фокусировки и отклонения
электронного луча различают три типа
электроннолучевых трубок:
с электростатическим управлением, в которых для
фокусировки и отклонения луча используется
электрическое поле;
с электромагнитным управлением, в которых для
фокусировки и отклонения луча используется
магнитное поле;
со смешанным управлением, в которых фокусировка
осуществляется электрическим полем, а отклонение
луча — магнитным.

199. Электронный прожектор

Электронный прожектор состоит:
• из катода косвенного накала,
• управляющего электрода
• двух или трех анодов, ускоряющих и фокусирующих электроны в луче.
Катод имеет форму цилиндра; внутри цилиндра расположен подогреватель
для накала катода и получения термоэлектронной эмиссии с его торца.

200.

Управляющий электрод, называемый модулятором, На
него подается отрицательное напряжение порядка
нескольких десятков вольт относительно
катода.Электроны, эмиттируемые катодом, движутся
под действием ускоряющего поля первого анода
сквозь отверстие в торце управляющего электрода,
отталкиваясь от его стенок.

201.

Количество электронов в луче, проходящем через это
отверстие, зависит от величины отрицательного
напряжения управляющего электрода: чем оно
больше, тем меньше количество электронов в луче,
меньше ток луча, а следовательно, и яркость
свечения экрана в точке падения на него луча.
Аноды представляют собой полые цилиндры с
диафрагмами внутри. Электронный луч проходит
сквозь отверстия в этих диафрагмах. Аноды имеют
положительные потенциалы. Эти потенциалы
собирают пучок летящих с большой скоростью
электронов в узкий сходящийся луч

202.

Экран трубки покрыт специальным веществом —
люминофором, — светящимся под действием
электронного луча. Яркость и длительность свечения
экрана, а также цвет свечения зависят от вещества
люминофора, от скорости и количества электронов в
луче. Чем больше скорость электронов и чем больше
их падает на экран, тем ярче светится изображение

203.

Отклоняющая система состоит из двух пар пластин.
Первая пара плоскопараллельных пластин
установлена по пути движения электронов луча
горизонтально и служит для отклонения луча в
вертикальном направлении. Эти пластины при
подаче на них напряжения создают электрическое
поле, сила которого действует на электроны
вертикально, и называются вертикальноотклоняющими пластинами УУ.
Вторая пара плоскопараллельных пластин
расположена перпендикулярно первой и служит для
отклонения электронного луча в горизонтальном
направлении.
Это горизонтально-отклоняющие пластины XX.

204.

При подаче постоянного напряжения на пластины УУ так, что
потенциал верхней из них выше, чем нижней, луч отклонится из
центра экрана О вверх в точку а, а при изменении полярности
приложенного напряжения — вниз в точку б.
При равенстве потенциалов пластин луч останется в точке О на
оси трубки. Чем больше напряжение между пластинами, тем
сильнее отклоняется луч.
Если на пластины УУ подать переменное напряжение, то луч
будет перемещаться вверх и вниз между точками а и б. Поэтому
световое пятно тоже будет двигаться по отрезку вертикальной
линии, непрерывно перемещаясь то вверх, то вниз и
многократно прочерчивая этот отрезок. Вследствие
инерционности зрения и свойства послесвечения экрана на
экране будет видна непрерывная светящаяся линия, а не
отдельные положения светящегося пятна. Длина светящегося
вертикального отрезка пропорциональна амплитуде
приложенного к пластинам УУ переменного напряжения.

205.

Аналогично действует на движение электронного луча
по горизонтали напряжение между пластинами XX:
если выше потенциал передней пластины, то луч
попадет в точку в, а если задней — то в точку г. При
одновременной подаче переменных напряжений на
обе пары пластин на экране наблюдаются разные
светящиеся кривые линии, форма которых зависит от
амплитуды, частоты и фазы подаваемых на
пластины XX и УУ напряжений.
Эти кривые носят название фигур Лиссажу и позволяют
производить исследования электрических сигналов.

206. Занятие 60 Газоразрядные лампы

207.

К газоразрядным лампам
относится большая группа
приборов, работающих при
дуговом разряде в газе.
Наиболее распространены
люминесцентные лампы,
которые выполняются в виде
стеклянных трубок различной
конфигурации.
В торцах трубки размещены
два накаливаемых
вольфрамовых электрода 1 и
2 с активным покрытием,

208.

Электроды присоединены к токоподводящим штырям 3,
В баллон (трубку) введен инертный газ и дозированная
капля ртути, а стенки с внутренней стороны покрыты
(люминофором).
Лампу включают в осветительную сеть
последовательно с балластным сопротивлением в
виде дросселя Др; к другим штырям лампы
(параллельно ей) присоединен стартер Ст.
Дроссель—индуктивная катушка со стальным
магнитопроводом — обладает способностью резко
увеличивать напряжение при разрыве цепи с током.

209.

Стартером является неоновая лампа, один из
электродов которой выполнен биметаллическим.
После включения выключателя К она светится
некоторое время, из-за чего биметаллический
электрод нагревается и срабатывает, замыкая цепь
электродов 1 и 2, что обеспечивает их разогрев.
Биметаллический электрод остывает.
При остывании биметаллического электрода он
размыкается, за счет дросселя в лампе возникает
разряд, Пар ртути ионизируется, и лампа
заполняется плазмой. Ее ультрафиолетовое
излучение взаимодействует со слоем люминофора
на стенках, который испускает видимое получение.

210.

211. Занятие 61 Электронная теория проводимости

212.

Электрический ток проводят твердые, жидкие и
газообразные тела. Электропроводность веществ
объясняется наличием в них носителей
электрических зарядов. Носителями электрических
зарядов являются свободные (не связанные с
атомом) электроны и ионы. Чем больше в веществе
свободных носителей электрических зарядов, тем
лучше вещество проводит электрических ток.
Огромное количество свободных электронов
находится в металлах. Поэтому металлы хорошо
проводят электрический ток. их так и назвали
проводники.

213.

Наряду с металлами хорошими проводниками, т. е.
веществами с большим количеством свободных
заряженных частиц, являются водные растворы или
расплавы электролитов и ионизованный газ —
плазма. Эти проводники также широко используются
в технике.
В вакуумных электронных приборах электрический
ток образуют потоки электронов.
Вещества, в которых мала свободных носителей
зарядов плохо проводят электрический ток. Они
называются диэлектриками или изоляторами.

214.

Кроме проводников и диэлектриков, имеется группа
веществ, проводимость которых занимает
промежуточное положение между проводниками и
диэлектриками.
Эти вещества не настолько хорошо проводят
электричество, чтобы их назвать проводниками, и не
настолько плохо, чтобы их отнести к диэлектрикам.
Поэтому они получили название полупроводников.

215. Занятие 62 Проводимость полупроводников

216.

а) строение полупроводников
В кристаллах полупроводников
каждые два соседних атома
объединены орбитами двух
валентных электронов. Такая
связь называется ковалентной.
В узлах кристаллической решетки
помещены атомы кремния Si,
(рис.1). Валентные электроны (по
четыре на каждый атом)
образуют внешние орбиты так,
что каждый из электронов
принадлежит сразу двум
соседним атомам . Валентные
электроны прочно удерживаются
на своих орбитах, свободных
электронов не имеется,
электрическая проводимость
равна нулю.

217.

б) Собственная проводимость полупроводников
Отрыв валентных электронов от атома может быть осуществлен при
воздействии внешних факторов:
• теплоты,
• сильного электрического поля,
• излучения и т. д.
С повышением температуры ковалентные связи разрушаются и
некоторые валентные электроны отрываются от своих атомов и
становятся свободными электронами. Они перемещаются в
пространстве между узлами кристаллической решетки и способны
создавать электрический ток.
При обрыве ковалентной связи нарушается электрическая нейтральность
двух соседних атомов, которые приобретают при этом элементарный
положительный заряд. условно называемый дыркой.
Если к кристаллу подсоединить внешний источник электрической энергии,
то свободные электроны начнут двигаться к "плюсу " источника, а дырки
- к "минусу" источника, создавая электрический ток в кристалле.
Такая проводимость полупроводников называется собственной.

218.

219. в) Примесная проводимость полупроводников.

Если в кристалл с
четырехвалентным
полупроводником ( кремний)
ввести примесь пятивалентного
полупроводника (мышьяк), то
четыре электрона примеси будут
участвовать в создании
ковалентных связей, а пятый
становится свободным. (рис.2)
Такая примесь называется
донорной, а полупроводник с
такой примесью полупроводником
n-типа.

220.

Если в четырехвалентный
полупроводник (кремний) ввести
примесь трехвалентного
полупроводника (индий), то три
электрона примеси будут
участвовать в создании
ковалентных связей, а вместо
четвертой связи образуется дырка.
(рис. 3.) Такая примесь называется
акцепторной, а полупроводник с
такой примесью – полупроводникои
р-типа.
Дырки в полупроводнике р - типа и
электроны в полупроводнике nтипа называются основными
носителями заряда.
Дырки в полупроводнике n - типа и
электроны в полупроводнике р типа называются неосновными
носителями заряда.

221.

222. Занятие 63 p-n переход

223.

а) Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего
напряжения.
Электронно-дырочным или р-n переходом, называется тонкий приконтактный
слой между двумя частями полупроводникового кристалла, одна из которых
обладает электронной ( n-типа), а другая - дырочной ( р-типа)
электропроводностью. До момента слияния р- и n-части были электрически
нейтральными. При слиянии происходит диффузия основных носителей дырок - из р-области в n-область и электронов - из n-области в р-область;
Уход основных носителей заряда из слоев вблизи границы в соседнюю область
оставляет в этих слоях неподвижный объемный заряд ионизированных
атомов примеси.

224.

В приконтактных слоях р- и n-областей возникает
пространственный заряд.
Его называют запирающим слоем (ЗС)
В результате образования по обе стороны границы
между р- и n- областями зарядов противоположных
знаков в р-n переходе создается внутреннее
электрическое поле, препятствующее дальнейшей
диффузии зарядов. На границе возникает разность
потенциалов, которую называют потенциальным
барьером.

225.

б) Прямое включение электронно-дырочного перехода.
При прямом включении
дырочная часть (р-область) полупроводника
присоединяется к положительному зажиму внешнего источника, а
электронная часть (n-областъ) - к отрицательному. (рис. 2)
Внешнее электрическое поле направлено навстречу внутреннему и
частично или полностью ослабляет его, снижает высоту потенциального
барьера, уменьшает толщину перехода. Основные носители заряда
перемещаются к границе перехода и переходят через границу в
противоположную область, создавая диффузионный прямой ток.

226.

в) Обратное включение электронно-дырочного перехода.
Обратное внешнее напряжение (р-область присоединяется к
отрицательному, а n-область- к положительному выводу
источника) (рис.3) создает электрическое поле, совпадающее с
внутренним полем р-n перехода; потенциальный барьер возрастает,
прямой ток практически обращается в нуль.
Поскольку поблизости от перехода количество основных носителей
уменьшается, его толщина и электрическое сопротивление
возрастают.
Через р-n переход при его обратном включении протекает небольшой ток,
обсусловленный неосновными носителями зарядов. Этот ток
называется обратным.

227. Занятие 64 Полупроводниковый диод

228.

а) Устройство полупроводниковых диодов.
Полупроводниковым диодом называется прибор,
содержащий элемент с одним р-п переходом. (рис.1.)
Принцип действия диодов основан на использовании
односторонней электропроводности, электрического
пробоя и других свойств р-n перехода.
По конструктивному выполнению р-n переходов диоды
подразделяют на плоскостные и точечные. (рис.1.)

229.

Плоскостные диоды изготовляют сплавным или
диффузионным методом, они обладают
значительной площадью перехода и
предназначаются для использования в цепях с
большими выпрямленными токами.
Точечные диоды имеют очень маленькую площадь
перехода образуемого контактом поперечного
сечения проволоки с пластиной.
Основными материалами для
изготовления диодов являются кремний и
германий
Вывод, от которого во внешнюю цепь
течет прямой ток называется катодным.
Вывод, к которому прямой ток течет из
внешней цепи называется анодным.

230. б) Принцип действия выпрямительных диодов.

Принцип действия выпрямительных диодов основан на
свойстве односторонней электропроводности р-n
перехода.(рис.2.)
Когда на вход диода поступает полуволна
положительной полярности (на аноде -«+», на
катоде- «-»), р-n переход включается в прямом
направлении, т. е. высота потенциального барьера
перехода снижается , обеспечивается протекание
прямого тока в цепи. Hа нагрузке Rн выделяется
напряжение в виде положительных полуволны.

231.

• При появлении на диоде отрицательной полуволны
(на аноде «-», на катоде «+») разность
потенциалов р- и n-областей возрастает, внутреннее
электрическое поле перехода препятствует
прохождению зарядов через переход, т. е. запирает
его; ток в нагрузке равен небольшому обратному току
Iобр , а напряжение на ней близко к нулю.
• Описанный процесс выпрямления переменного тока
называется однополупериодным.
• В практике чаще применяются двухполупериодные и
другие варианты выпрямительных схем.

232. в) Вольт-амперная характеристика диода

Представляет собой зависимость
тока от величины и полярности
приложенного напряжения. На
рис. 3. представлены
вольтамперные характеристики
полупроводникового диодов.
Характеристика в прямом
направлении представляет
кривую резко поднимающуюся
вверх, так как даже при
небольшом значении прямого
напряжения Uпр ток через диод
Iпр достигает больших значений
из-за малого переходного
сопротивления р-n перехода.
Рис.3. Вольт-амперная характеристика
полупроводникового диода

233.

При обратном напряжении
Uобр величина обратного
тока Iобр незначительна,
даже при большом
обратном напряжении.
Однако дальнейшее
увеличение обратного
напряжения приводит к
пробою р-n перехода. Его
сопротивление резко
падает и обратный ток
через р-n переход
лавинообразно
возрастает.

234. Занятие 65 Транзистор

235.

а) Устройство транзистора
Биполярным транзистором, или просто
транзистором, называют полупроводниковый прибор
с двумя p-n переходами и тремя выводами. Он
имеет трехслойную структуру, состоящую из
чередующихся областей с различными типами
электропроводности: p-n-p или n-p-n (см.рис.).

236.

Основным элементом транзистора является кристалл кремния или
германия с созданными в нем двумя плоскостными p-n
переходами. Наружная область с наибольшей концентрацией
примеси называется эмиттером, вторая наружная область –
коллектором, а внутренняя область - базой.
Электронно-дырочный переход между эмиттером и базой
называют эмиттерным переходом, а между коллектором и
базой - коллекторным переходом.
Толщина базы очень мала и составляет единицы микрометров.
Площадь коллекторного перехода в несколько раз превышает
площадь эмиттерного.

237.

238.

б) Принцип действия
транзистора
В схеме включения
транзистора (рис.2.) к
эмиттерному переходу
должно быть приложено
прямое напряжение, а к
коллекторному- обратное.
При подаче на эмиттерный
переход прямого напряжения
от источника питания Еэ в
транзисторе типаp-n-p
происходит движение дырок
через эмиттерный
переход.Создается ток
эмиттера Iэ

239.

Толщина базы очень мала,
поэтому дырки оказываются
вблизи коллекторного
перехода. Большая их часть
не успевает рекомбинировать
с электронами базы и
проскакивает в область
коллектора. Происходит
переход дырок из базы в
коллектор. Движение дырок в
процессе перехода из базы в
коллектор создает ток
коллектора Iк.
Из-за небольшой толщины
базы и малой концентрации
основных носителей заряда –
электронов,в цепи базы
протекает очень маленький
ток базы Iб.

240.

Таким образом, ток коллектора управляется током эмиттера:
если увеличится ток эмиттера, то практически
пропорционально возрастет ток коллектора. Ток эмиттера
может изменяться в больших пределах при малых изменениях
прямого напряжения на эмиттерном переходе.
Ток базы значительно меньше тока коллектора, ( Iк>>Iб )
поэтому для практических расчетов часто считают ток
коллектора приближенно равным току эмиттера:Iк = Iэ
Ток эмиттера как прямой ток р-n перехода значительно
изменяется при очень малых изменениях напряжения на
эмиттерном переходе и вызывает, соответственно, большие
изменения тока коллектора. Протекая через большое
сопротивление нагрузки коллекторный ток создает большое
напряжение на выходе. На этом основаны усилительные
свойства транзистора.

241.

в) Принцип усиления сигналов с
помощью транзистора.
Схема включения транзистора для
усиления электрических колебаний
содержит две цепи
(рис. 3): входную и выходную.
Входная цепь - в данном случае между
эмиттером и базой - является
управляющей; в нее последовательно с
источником питания Eэ включается
источник слабых электрических
колебаний Uвх~, которые надо усилить.
Выходная цепь - между коллектором и
базой - является главной цепью; в нее
последовательно с источником Eк
включается нагрузка Rн, на которой
надо получить усиленный сигнал.

242.

Источник усиливаемых колебаний малой мощности дает
небольшое переменное напряжение и вызывает изменения
эмиттерного тока; в результате происходят изменения
коллекторного тока и напряжения на нагрузке. Поскольку
сопротивление коллекторного перехода, включенного в
обратном направлении, очень велико, коллекторная цепь
является высокоомной; в нее включается, соответственно,
высокоомная нагрузка Rн.
При этих условиях изменения тока коллектора ΔIк, практически
равные изменениям тока эмиттера ΔIэ создают в усилителях
низкой частоты на большом сопротивлении Rн электрические
колебания, мощность которых значительно превышает
мощность колебаний в низкоомной входной цепи, т. е.
происходит усиление электрических колебаний.

243. Занятие 66 Полупроводниковые фотоприборы

244.

а) Фотодиоды.
Фотодиодом называют
полупроводниковый диод, ток
которого управляется световым
потоком.
Фотодиод имеет двухслойную
структуру, содержащую один р-n
переход (рис. 1).
Фотодиод является датчиком
электрического сигнала при
поступлении на его вход светового
сигнала т. е. преобразует световые
сигналы в электрические.
Различают два режима работы
фотодиода:
фотодиодный - с внешним
источником питания,
фотогальванический - без
внешнего источника питания;

245. б) Работа фотодиода в фотодиодном режиме.

При отсутствии светового
потока и внешнего напряжения (Ф
= О, U = 0) на р-n переходе, как и в
обычном полупроводниковом
диоде, создается контактная
разность потенциалов (знаки «+»
и «-» без кружочков).
При подаче на фотодиод
обратного напряжения и
отсутствии светового потока (Ф =
0; U = Uoбр) через затемненный
фотодиод проходит небольшой
обратный ток р-n перехода,
являющийся темновым током IТ.

246.

Под действием светового потока,
который обычно направляют на
тонкую область n-типа, в ней
генерируются пары электрон дырка. Количество неосновных
носителей заряда (дырок) в
n-области увеличивается, и поток
их через р-n переход
возрастает.
Ток, протекающий через
фотодиод при воздействии
светового потока, является
фототоком Iф и возрастает с
увеличением светового
потока Ф.

247.

б) Светодиоды.
Светоизлучающий диод (светодиод) - это полупроводниковый прибор с
одним р-n переходом, в котором осуществляется непосредственное
преобразование электрической энергии в энергию светового
излучения.
Принцип действия светодиода основан на излучении света р-n переходом
некоторых полупроводников, вызываемом рекомбинацией электронов
и дырок при прохождении прямого тока.
При этом наблюдается свечение определенного цвета, зависящего от
материала светодиода.
Различные типы светодиодов могут дать красное, оранжевое, желтое,
зеленое, голубое свечение, а также инфракрасное излучение,
позволяя перекрыть диапазон длин волн от 0,45 до 0,9 мкм.

248. Занятие 67 Терморезисторы

249.

Терморезистор (термистор,
термосопротивление, полупроводниковый
резистор) – электрический прибор,
обладающий свойством существенно изменять
своё электрическое сопротивление при
изменении температуры.
Диапазон рабочих температур
терморезистора определяет нижний и верхний
пределы температуры, в которых может
нормально работать терморезистор.
Диапазон рабочих температур
большинства терморезисторов лежит в
пределах от 170 до 570 К.

250.

Температурный коэффициент сопротивления
(ТКС) показывает на сколько процентов от
первоначального сопротивления изменяется
сопротивление терморезистора при изменении
окружающей температуры на 1 Кельвин.
ТКС изменяется от 2,5 % до 8,5 % на 1 К.
Различают терморезисторы с отрицательным ТКС
(ОТ), у которых электрическое сопротивление с
ростом температуры убывает, и с положительным
ТКС (ПТ), у которых оно возрастает.

251.

Терморезисторы выпускаются в виде стержней, трубок,
дисков, шайб и бусинок.
Размеры терморезисторов варьируют от нескольких
мкм до нескольких см.
На основе терморезисторов разработаны системы и
устройства дистанционного и централизованного
измерения и регулирования температуры,
противопожарной сигнализации и теплового
контроля.

252. Занятие 58 Контрольная работа №9

253.

Контрольные вопросы:
1. Дайте определение и приведите виды электронной эмиссии
2. Объясните принцип работы и приведите типы вакуумных
электронных ламп.
3. Объясните устройство электронно-лучевой трубки.
4. Объясните физическую сущность различных видов
проводимостей полупроводников.
5. Объясните основные свойства p-n перехода и
полупроводникового диода.
6. Объясните работу транзистора
7. Дайте характеристику полупроводниковым фотоприборам.
8. Приведите схемы выпрямителей и объясните их работу
Примечание: Каждому учащемуся необходимо решить задачу,
предложенную преподавателем.