М.Ф. Павлюк

ОСНОВИ

СУЧАСНОЇ

ЕЛЕКТРОНІКИ

Основи сучасної електроніки / М.Ф.Павлюк – навчальний посібник - Івано-Франківськ: “Плай” 2007. – 278 с.

В навчальному посібнику подані відомості з основ електротехніки: лінійні кола однофазного і трифазного змінного струму, електровимірювальні прилади і електричні вимірювання, трансформатори, електричні машини змінного і постійного струму, а також з основ електроніки: лінійні чотириполюсники, напівпровідники і їхні властивості, електронні підсилювачі та генератори, елементи і пристрої цифрової техніки.

Для студентів університетів, спеціальність «Фізик. Викладач фізики»

Видавництво «Плай», 2007

М.Ф.Павлюк 2007

Івано-Франківськ

Видавництво “Плай” 2007

ВСТУП

Електротехніка – наука про технічне використання електричних і електромагнітних явищ. Велике значення електротехніки для сучасного виробництва і побуту пояснюється відносною простотою отримання електричної енергії, передачі її на далекі відстані, розподіл між споживачами і перетворення в інші види енергії.

У розділі з основ електротехніки розглядаються: теорія електричних і магнітних явищ, методи розрахунку кіл змінного струму, принцип дії та будова трансформаторів, електричних машин і апаратів, електровимірювальних приладів; методи електричних вимірювань і використання електричних пристроїв.

Електроніка – область науки і техніки, в якій розглядається питання передачі інформації за допомогою електромагнітних хвиль, її зберігання і перетворення. Сучасна електроніка тісно пов’язана з електротехнікою, фізикою твердого тіла, радіотехнікою.

Використання транзисторів, малогабаритних пасивних елементів дало змогу суттєво зменшити габаритні розміри електронної апаратури. Якісним стрибком в розвитку елементної бази радіоелектроніки стала поява інтегральних мікросхем.

Сучасною промисловістю виготовляються різні інтегральні мікросхеми. Створені великі (ВІС) і надвеликі (НВІС) мікросхеми. На одному кристалі деяких мікросхем вдається створити більше одного мільйона елементів. Проводяться дослідження з метою збільшення числа елементів в одній мікросхемі, підвищення робочої частоти до 100 ГГц.

Останнім часом в радіоелектронній апаратурі обробка інформації базуються в основному на представлені її аналоговими сигналами. Для покращення характеристик ліній зв‘язку аналоговий сигнал стараються перевести на цифровий метод кодування і обробки інформації.

Розвиток елементної бази і методи обробки інформації дає можливість використовувати досягнення радіоелектроніки в різних галузях виробництва, наукових досліджень, побуту, а також для удосконалення систем зв‘язку.

Тому майбутній фізик повинен досконало володіти основами електротехніки і електроніки, успішно використовувати дані знання в різних галузях науки і техніки, в наукових дослідженнях та експерименті.

Даний підручник написаний згідно діючих навчальних програм з курсу основ сучасної електроніки для університетів, спеціальність “Фізик. Викладач фізики”. Може бути корисним для наукових співробітників, інженерів, керівників технічних гуртків.

Основи електротехніки

І. ЛІНІЙНІ КОЛА ОДНОФАЗНОГО ЗМІННОГО СТРУМУ

1.1. Загальні поняття

Електричним колом називають замкнутий контур, складений з джерел струму, споживачів енергії і з’єднувальних проводів, по яких тече електричний струм.

Електричні кола поділяють на лінійні і нелінійні, однофазні і багатофазні.

Широке використання змінного струму, який змінюється за величиною і напрямом обумовлене тим, що він має ряд істотних переваг над постійним струмом.

Змінний струм можна трансформувати (перетворювати), що дає змогу отримувати струм високої напруги (до 1,5 млн. В і більше), необхідний для передачі електричної енергії на великі відстані з найменшими втратами, і струм низької напруги для живлення різних споживачів.

1.2. Отримання змінного струму

Для отримання змінного струму використовують генератори змінного струму. Найпростішим генератором змінного струму може служити виток, який обертається в рівномірному магнітному полі (рис. 1.1, а). Використовуючи правило правої руки, легко переконатись, що в процесі обертання витка напрям е.р.с. е, яка індукується на робочих ділянках 1 і 2 витка, неперервно змінюється, відповідно, змінюється і напрям струму і, що проходить по замкнутому колі.

За законом електромагнітної індукції е.р.с., яка індукується у витку при обертанні його з лінійною швидкістю v в магнітному полі з індукцією В,

(1.1)

тут 2l – довжина робочої частини витка;  - кут між напрямком силових магнітних ліній і напрямком руху витка в даний момент часу (напрямком вектора швидкості v).

При обертанні витка з кутовою швидкістю  кут t. Відповідно

(1.2)

Змінний кут t називається фазою е.р.с. Вираз 2Blv являє собою максимальне значення е.р.с. е, яке він приймає при t=90⁰ (коли площина витка перпендикулярна силовим магнітним лініям). Позначивши його через Е_m отримаємо

(1.3)

Залежність зміни е.р.с. е від кута t або від часу t графічно подається кривою, тобто синусоїдою.

Н

Рис.1.1. Індукування синусоїдальної е.р.с. у витку при обертанні його в рівномірному магнітному полі (а), хвильова діаграма синусоїдальної е.р.с. (б

а рис. 1.1, б поданий графік зміни синусоїдальної е.р.с. е, індукованої у витку, який обертається в магнітному полі, від кута t.

Амплітуда, фаза, зсув фаз. Якщо в рівняннях

(1.4)

t=90⁰, то значення е.р.с., струму і напруги буде найбільшим: e=E_m, i=I_m, u=U_m.

Такі значення електричних величин називають максимальними, або амплітудними).

Термін “фаза” в електротехніці має два значення: 1) як певна стадія або ступінь періодичного коливального процесу; 2) як назва частини електричного кола змінного струму (наприклад, одна з обмоток генератора змінного струму).

Я

Рис. 1.2. Хвильова діаграма синусоїдальних е.р.с. при >0 i <0

кщо розглядати електричну величину, яка періодично змінюється за синусоїдальним законом то під фазою слід розуміти певну стадію періодичного коливального процесу. Щоб зобразити це поняття графічно і аналітично, аргумент синуса =t називають фазою, або фазним кутом, що показує значення електричної величини в певний момент часу, або її миттєве значення. На рис. 1.1, б при t=0 е.р.с. дорівнює нулю. При t=t₁ величину е.р.с. визначають фазним кутом =t₁, тобто е₁=Е_msint₁.

Синусоїди е.р.с. (струмів) взагалі можуть не проходити через початок координат і при t=0 мати певні значення. На рис. 1.2 зображено два випадки, коли криві е.р.с. не проходять через початок координат. На рис. 1.2, а при t=0 е.р.с. має додатне значення, а на рис. 1.2, б при t=0 - від'ємне. Щоб подати такі криві рівняннями, в аргумент синуса вводять так звану початкову фазу  (псі), яка визначає величину е.р.с. у початковий момент часу, тобто при t=0. Отже, можна записати

. (1.5)

При t=0 е=Е_msin_e значення е.р.с.— додатне. Для другого випадку (рис. 1.2, б)

. (1.6)

П ри t=0 е=Е_msin(-_e)=-е=Е_msin_e значення е.р.с. - від'ємне.

О

Рис. 1.3. Хвильова діаграма двох е.р.с., які збігаються за фазою

тже, кожна електрична величина, яка змінюється за законом синуса, характеризується амплітудою Е_m, I_m, фазою t і кутовою частотою . Якщо є дві е.р.с. однакової частоти з однаковими фазами t +₁=t +₂ і будь-якими амплітудами Е_1mE_2m, e₁=Е_1msin(+₁) i e₂= Е_2msin(+₂), то про такі е.р.с. (або струми) кажуть, що вони збігаються за фазою (рис. 1.3). У таких е.р.с. (або струмів) амплітудні і нульові значення настають одночасно.

На рис. 1.4, а зображено схематичний двополюсний генератор, в якому на роторі є дві обмотки (котушки), зсунуті між собою на кут  з числом витків w₁ i w₂, причому w₁= w₂. Синусоїдні е.р.с. е₁ і е₂ індуковані в котушках при їх обертанні проти руху годинникової стрілки, досягатимуть своїх максимальних і нульових значень неодночасно. Тоді кажуть, що е.р.с. е₁ і е₂ зсунуті за фазою одна відносно одної (рис. 1.4, б):

Рис. 1.4. Хвильова діаграма двох е.р.с., які не збігаються за фазою

Е.р.с., амплітудне (або нульове) значення якої настає раніше від іншої, називають випереджаючою (рис. 1.4, е₁), а ту, в якої ті самі значення настають пізніше, - відстаючою за фазою (рис. 1.4, е₂).

Різницю початкових фазових кутів двох синусоїдних величин тієї самої частоти називають кутом зсуву фаз, або зсувом фаз

(1.7)