2 Модуль. Магнитные цепи и электромагнитные устройства – пк-3:

Тема №1: Трансформаторы

Электромагнетизм

Тема посвящена рассмотрению основных законов электромагнитных явлений. Необходимо усвоить, что в пространстве, окружающем проводники с током, обнаруживаются особые явления, обусловленные наличием электромагнитного поля.

0. Магнитное поле

Магнитным полем называется одна из форм электромагнитного поля, возбуждаемая движущимися электрическими зарядами и характеризующаяся силовым воздействием на движущиеся заряженные частицы.

Направление магнитного поля связано с направлением тока. Графически магнитное поле изображается магнитными линиями, которые замкнуты и проводятся так, чтобы направление касательной в каждой точке линии совпадало с направлением поля.

Магнитное поле прямолинейного проводника с током имеет вид концентрических окружностей и направление его силовых линий определяется по «правилу буравчика», если ввинчивать буравчик в провод, то направление вращения его рукоятки будет совпадать с направлением магнитных силовых линий (рис. 3.1.1).

Параметры магнитного поля

Интенсивность магнитного поля характеризуется параметрами: напряженность, магнитная индукция, магнитный поток.

Напряженностью магнитного поля называется векторная величина, характеризующая интенсивность магнитного поля в данной его точке.

Напряженность в пространстве, окружающем проводник с током, вычисляется по формуле:

где: I – сила тока в проводнике, А

а - расстояние от оси провода до выбранной точки пространства вокруг проводника, м

Напряженность магнитного поля внутри катушки (соленоида) на ее оси, если длина катушки больше диаметра.

где: w - число витков катушки

С напряженностью связано понятие о намагничивающей силе.

Намагничивающей силой называется величина, характеризующая свойство тока возбуждать магнитное поле (Fm).

Для проводника с током Fm = I.

Так как, ,

то напряженность магнитного поля – это величина численно равная намагничивающей силе, приходящейся на единицу длины магнитной силовой линии радиуса а.

Векторная величина, характеризующая интенсивность магнитного поля с учетом влияния среды, называется магнитной индукцией.

Величина магнитной индукции определяется по формуле:

или

где: μа – абсолютная магнитная проницаемость среды, Гн/м

μа = μо

где: μо – магнитная проницаемость вакуума,

μо =

μ - относительная магнитная проницаемость среды;

F - сила, действующая на проводник с током.

Магнитная индукция в сердечнике катушки

Произведение магнитной индукции В на площадь S поверхности, которую пересекает линии магнитного поля, называется магнитным потоком.

Н и В связаны соотношением

- угол между направлением вектора В и перпендикуляром к поверхности S.

В сердечнике катушки

Электромагнитная индукция, самоиндукция и взаимная индукция

В проводнике, пересекающем магнитное поле, индуцируется ЭДС электромагнитной индукции.

Явление наведения ЭДС в проводнике, пересекающем магнитное поле, называется электромагнитной индукцией. Направление ЭДС в проводнике определяется правилом правой руки.

Величина ЭДС определяется выражением:

E=BVℓ Sin α

где: В - индукция магнитного поля;

V - скорость пересечения проводником магнитного поля;

ℓ - длина проводника;

α - угол, под которым проводник пересекает поле.

Если магнитное поле с направленной скоростью пересекает замкнутый контур, то ЭДС электромагнитной индукции в этом контуре определяется по закону электромагнитной индукции.

т.е. ЭДС электромагнитной индукции в замкнутом контуре равна скорости изменения магнитного потока, сцепленного с этим контуром, с отрицательным знаком. Знак “-“ отражает правило Ленца.

ЭДС электромагнитной индукции возникает только при изменении магнитного потока. Если переменный магнитный поток пронизывает катушку с числом витков W, то индуктивная ЭДС.

Произведение ф * = - называется потокосцеплением, и тогда

т.е. ЭДС электромагнитной индукции в катушке равна скорости изменения потокосцепления со знаком “-“.

Если по катушке пропустить ток I, то созданный током магнитный поток ф в катушке пропорционален току, т.е. ф=I

Следовательно, ψ = фw =I.

Из этого возникает, что для каждой катушки отношение ψ/_I – величина постоянная.

Это отношение обозначается буквой L и называется индуктивностью, т.е.

Индуктивность кольцевой катушки

где: ф т.е.

индуктивность катушки пропорциональна квадрату числа витков этой катушки и зависит от габаритов и материала сердечника катушки.

Если по катушке с индуктивностью L пропустить переменный ток (рис. 3.2.1) то он создает в катушке переменный поток, который пронизывает витки катушки и индуктирует в них ЭДС самоиндукции ℓi

i

U L

Рис. 3.2.1

Явление наведения ЭДС самоиндукции в проводнике, контуре или катушке, вызванное изменением тока, называют – Явление самоиндукции, ЭДС самоиндукции пропорциональна скорости изменения тока в этом проводнике, контуре или катушке со знаком “-“.

Если две или несколько катушек расположены так, что магнитный ток одной из них пронизывает витки остальных, то такие катушки называются магнито-связанными. Для двух магнито-связанных катушек отношение

Величина постоянная и называется взаимной индуктивностью. ЭДС взаимной индукции

Зависимость между коэффициентом взаимной индукции индуктивностями катушек

где: К – коэффициент магнитной связи между катушками, зависит от взаимного расположения катушек.

Он показывает, какая часть созданного потока пронизывает одновременно обе магнито-связанные катушки. Коэффициент связи может изменяться от нуля до единицы.

При отсутствии рассеяния магнитного потока К=0, при отсутствии магнитной связи К=0.

Индуктивно-связанные катушки могут быть включены согласно или встречно согласными включением называется такое, при котором намотка катушек выполнена так, что магнитные потоки катушек имеют одинаковое направление. При встречном последовательном включении первичной и вторичной противоположно. При последовательном включении магнитные потоки катушек направлены противоположно. При последовательном включении первичной и вторичной катушек при согласном включении общая индуктивность этих катушек определяется

, а при встречном включении

Вопросы для самопроверки

1. Что называется электромагнитной индукцией?

2. Что называется самоиндукцией?

3. Как определяется ЭДС самоиндукции?

4. Что называется взаимоиндукцией?

5. От чего зависит коэффициент магнитной связи и в каких пределах R_н изменится?

6. Какое включение катушек называется согласованным, а какое – встречным?

Однофазный трансформатор. Принципы работы. Основные параметры

Устройство, состоящее из двух или нескольких индуктивно связанных катушек, называется трансформатором.

Трансформатор - это электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Наибольшее распространение получили однофазные и трехфазные трансформаторы.

Принцип действия трансформатора основан на явлении взаимной индукции. Простейший однофазный трансформатор состоит из двух катушек, расположенных на ферромагнитном сердечнике. (рис. 3.3.1)

рис. 3.3.1

Обмотка, к которой подключен источник энергии, называется первичной, а обмотка, к которой подключается нагрузка, называется вторичной.

При подключении первичной катушки к источнику переменного тока по ней потечет ток I₁, который создает магнитный поток ф. Часть этого потока пересекает витки вторичной катушки, индуцируя в ней ЭДС взаимной индукции. Так как вторичная катушка замкнута на нагрузку, то по вторичной цепи потечет ток I₂.

Таким образом, энергия от источника за счет магнитной связи между катушками передается в нагрузку.

Основными параметрами трансформатора являются: коэффициент трансформации, коэффициент полезного действия и мощность потерь.

Коэффициентом трансформации называется отношение количества витков первичной обмотки к количеству витков вторичной обмотки.

Если , то трансформатор называется понижающим (U₁ U₂), а если n 1 - то повышающим.

U₂ - напряжение на первичной обмотке;

U₂ - напряжение на вторичной обмотке;

W₁ – число витков первичной катушки;

W₂ - число витков вторичной катушки

Коэффициент полезного действия (КПД) называется отношение полезной мощности, выделяемой в нагрузке, к затраченной мощности, потребляемой от источника, выраженное в процентах.

Р₁ – полезная мощность, выделяемая в нагрузке;

Р₂ – затраченная мощность, потребляемая от источника;

Р_см = Р_чистер + Р_{вихр.токи}

Р_м1 – мощность тепловых потерь в первичной катушке;

Р_м2 - мощность потерь во вторичной катушке;

Рсм – мощность потерь в сердечнике, обусловленная потерями на гистерезис и вихревые токи.

Общие потери – это разность мощностей источника и потребителя энергии.

в понижающем трансформаторе

в повышающем трансформаторе

При расчете трансформаторов и аппаратуры с их использованием применяют схему замещения приведенного «трансформатора», в которой элементы электрической схемы учитывают физические процессы, происходящие в реальном трансформаторе.

Вопросы для самопроверки

1. Что называется трансформатором?

2. На чем основан принцип действия трансформатора?

3. Приведите схему однофазного трансформатора?

4. Что называется коэффициентом трансформации?

5. Какой трансформатор называется понижающим, а какой – повышающим?

6. Как определяется КПД трансформатора?

7. Из чего складываются потери трансформатора?

Тема №2: Электрические машины [Яцкевич]

Устройство и принцип действия машин постоянного тока.

Машина постоянного тока состоит из двух основных частей: подвижной и неподвижной. Неподвижная часть — индуктор представляет собой электромагнит, имеющий одну или несколько пар полюсов. Он состоит из станины, полюсов и обмоток возбуждения, расположенных на полюсах. Под действием постоянного тока, протекающего по обмоткам возбуждения, полюса намагничиваются. Таким образом, создается магнитный поток машины.

Вращающаяся часть машины - якорь состоит из вала, сердечника и обмотки якоря, соединенной с коллектором. Якорная обмотка через коллекторные пластины и прилегающие к ним контактные щетки соединяется с внешней электрической цепью.

Когда якорь генератора вращается каким-либо двигателем, в обмотке якоря, пересекающей магнитный поток полюсов, индуктируется э.д.с. Начальный ток возбуждения в параллельной обмотке возникает под действием небольшой э.д.с., которая индуктируется за счет остаточного магнитного потока, после чего происходит «самовоз­буждение» генератора.

Генераторы постоянного тока смешанного возбуждения

У генератора смешанного возбуждения на полюсах размещаются две обмотки возбуждения: параллельная ( шунтовая ), включаемая в цепь параллельно якорю, и последовательная (сервисная), включаемая последовательно с обмоткой якоря (рис. 1 ).

На клеммном щитке такого генератора имеются три пары клемм, принадлежащие якорной цепи (Я1 и Я2), параллельной обмотке (Ш1 и Ш2) и последовательной обмотке (С1 и С2).

Если маркировка клемм на щитке отсутствует, то отыскать клеммы одной или другой обмотки можно при помощи электрической лампы и источника тока, при этом нужно иметь ввиду, что клеммы якорной цепи Я2 и Я1 через щетки соединены с коллектором.

Параллельная обмотка в отличие от последовательной обмотки возбуждения имеет большое количество витков, изготовлена из тонкого провода и поэтому имеет большее сопротивление.

Рис. 1. Схема генератора со смешанным возбуждением

Величина э. д. с, индуктируемая в якорной обмотке, прямо пропорциональна магнитному потоку Ф и скорости вращения якоря п:

Е = С_еФп. ( 1 )

Коэффициентом пропорциональности С_Е является постоянная для данной машины величина, зависящая от чис­ла пар полюсов р, числа пар параллельных ветвей а и числа проводников якорной обмотки N:

С_е= рN / 60а. ( 2 )

При работе генератора якорь его обычно вращается с постоянной скоростью. Поэтому э.д.с. генератора регули­руют за счет величины магнитного потока (уравнение 1), изменяя ток в параллельной обмотке возбуждения.

Зависимость э.д.с. от тока возбуждения выражается характеристикой холостого хода, которая снимается опытным путем при отсутствии нагрузки и при постоянной скорости вращения якоря. При холостом ходе последовательная обмотка возбуждения никакого влияния на работу генератора не оказы­вает, так как ток в этой обмотке отсутствует.

Намагничивающая сила IW последовательной обмотки возбуждения прямо пропорциональна току нагрузки ге­нератора. Поэтому при увеличении тока нагрузки магнитный поток и э. д. с. генератора возрастают.

В результате этого напряжение на зажимах генератора смешанного возбуждения (уравнение 3) при увеличении тока нагрузки не уменьшается (как это имеет место у генератора параллельного возбуждения), а сохраняется при­мерно постоянным.

U = Е - Iя ( Rя + Rс ), ( 3 )

где Rя -сопротивление якоря, Rс - сопротивление последовательной обмотки.

При встречном включении последовательной обмотки э. д. с. генератора с ростом тока нагрузки умень­шается, т.к. в этом случае последовательная обмотка будет размагничивать полюсы генератора и уменьшать магнит­ный поток. Такой способ включения последовательной обмотки применяется только в генераторах специального назначения.

Внешняя характеристика генератора, выражающая зависимость напряжения от тока нагрузки, строится на осно­вании опытов, проводимых при постоянной скорости вращения и неизменном сопротивлении в цепи параллель­ной обмотки возбуждения.

ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА ПАРАЛЛЕЛЬНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ

Работа двигателя постоянного тока основана на взаимодействии тока, протекающего по обмотке якоря, с магнит­ным полем индуктора. Ток в якорную обмотку из сети поступает через щетки и коллектор. Магнитное поле в двига­теле создается при помощи обмотки возбуждения, расположенной на полюсах индуктора. У двигателя параллельного возбуждения эта обмотка включается параллельно якорной обмотке.

Частота вращения якоря двигателя постоянного тока зависит от приложенного напряжения U, тока якоря Iя и его сопротивления Rя , а также от магнитного потока Ф и конструктивной постоянной С_Е:

п = (U – I_я R_я ) / С_ЕФ , ( мин ^-1) . ( 1 )

Напряжение в сети обычно сохраняется постоянным и только при необходимости регулирования п в широком диапазоне применяют систему генератор - двигатель (Г-Д). Чаше частоту вращения якоря двигателя параллельного возбуждения регулируют изменением Ф или Iя . С этой целью в цепь обмотки возбуждения включают регулировоч­ный реостат Rвозб (рис.1), при помощи которого можно изменять величину тока возбуждения Iвозб и магнитный поток Ф. Ток якоря можно регулировать введением реостата в цепь якоря, но при этом потери энергии, выделяемой в реостате пропорционально Iя 2Rp , будут значительно больше, чем при регулировании п током возбужде­ния.

Из формулы (1) видно, что Iвозб и Ф двигателя параллельного возбуждения не зависит от тока якоря. При по­стоянном Ф изменение будет обусловлено

только изменением падения напряжения в якорной цепи, обладающей небольшим сопротивлением Rя . Поэтому при увеличении нагрузки на валу и

соответствующем нарастании тока якоря частота вращения снижается незначительно, т. е. данный двигатель обладает жесткой механической характеристикой.

Ток якоря при работе двигателя равен отношению

Iя = ( U – Е ) / Rя , ( 2 )

где Е – противо - э. д. с. двигателя.

В момент пуска, когда якорь двигателя еще не вращается, э.д.с. его равна нулю. В это время по якорю протека­ет наибольший, так называемый пусковой ток, который согласно уравнению (2) равен

Iпуск = U / ( Rя + Rnvcк ), ( 3 )

где Rnvcк - сопротивление пускового реостата, включаемого на время пуска последовательно с якорем (рис.1).

Вращающий момент двигателя постоянного тока пропорционален току якоря и магнитному потоку:

М = С_м I_я Ф, ( 4 )

Рис. 1

где См - коэффициент, зависящий от количества полюсов и параметров якорной обмотки.

Для ускорения процесса пуска двигателя необходимо увеличить его крутящий момент путем увеличения магнит­ного потока. С этой целью перед пуском двигателя сопротивление регулировочного реостата уменьшают до нуля. В этом случае ток возбуждения ограничивается только сопротивлением самой обмотки возбуждения.

Момент сопротивления на валу при испытании двигателя создается при помощи тормозного уст­ройства в виде генератора постоянного тока. Момент на валу машины определяется по мощности генератора

P2 ≈ 1,1 · UГ ·IГ ; ( Вт ) ( 5 )

М = 9,55 P2 / п2 , ( Нм) ( 6 )

Мощность, потребляемая двигателем из сети, вычисляется как произведение Р1 = Uс I (Вт). ( 7 )

Коэффициент полезного действия двигателя

η = Р2 : Р1 . ( 8 )

Механические свойства двигателя характеризуются так называемым процентным изменением частоты вращения

∆n = 100% ( по – п ) / по , ( 9 )

где по - частота вращения якоря при холостом ходе,

п - частота вращения якоря при нагрузке двигателя.

Как уже упоминалось выше, двигатель параллельного возбуждения имеет жесткую механическую характеристику, и, следовательно, в отличие от других типов двигателей постоянного тока работает с небольшим процентным измене­нием частоты вращения.

Конструкция и принцип действия асинхронного двигателя

Работа асинхронного двигателя основана на использовании вращающегося магнитного поля, которое создается статорной обмоткой под действием трехфазного тока. Обмотку статора двигателя соединяют звездой или треуголь­ником в зависимости от напряжения сети. Так, например, если в паспорте двигателя указаны напряжения 380/220 В, то при линейном напряжении сети 380 В обмотки соединяют звездой, а при линейном напряжении 220 В — треуголь­ником. Соединение звездой и треугольником выполняется при помощи перемычек на клеммном щитке двигателя, как показано на рис.1.

Рис. 1. Соединение фаз двигателя звездой (а) и треугольником (б).

Ток, потребляемый двигателем из сети и протекающий по обмотке статора, обозначают I1. Скорость вращения магнитного поля зависит от частоты тока f и числа пар полюсов р:

n1 = 60 f / р . ( 1 )

В роторной обмотке двигателя, пересекаемой вращающимся магнитным потоком, индуктируется переменный ток I2 , изменяющийся с частотой f2 .

Ток ротора, взаимодействует с вращающимся магнитным потоком Ф, создает электромагнитный вращающий момент.

М = кФI2соsψ2 , ( 2 )

где угол сдвига фаз между э. д. с. и током ротора - ψ2 .

Вращающий момент асинхронного двигателя пропорционален квадрату напряжения U1, которое приложено к статорной обмотке. Поэтому асинхронные двигатели очень чувствительны к колебаниям напряжения сети. Сниже­ние напряжения вызывает уменьшение момента и может привести к остановке двигателя.

Скорость вращения ротора п2 у двигателя меньше скорости вращения магнитного поля п1. Величина s =( п1 – п2 ) / п1 ( 3 ) называется скольжением. Номинальное значение скольжения у различных асинхронных двигателей составляет 0,05÷0,1 или 5÷10%. Частота тока в роторе f2 пропорциональна s. Рабочие характеристики асинхронного двигателя выражают зависимость потребляемого тока I1, потребляемой мощности Р1 , вращающего момента М, скорости вращения ротора п2, скольжения s, к. п. д. η двигателя от мощности на валу Р2 .

Механическая характеристика двигателя выражает зависимость скорости вращения ротора от момента на валу М.

п 2 = f (M). ( 4 )

Так как момент двигателя зависит от скольжения, то иногда бывает удобнее вместо механической характеристики п2 = f (M) пользоваться зависимостью М = f (s).

Рабочие и механические характеристики обычно строятся по результатам испытаний двигателя. Во время испыта­ний двигатель нагружается при помощи тормозного устройства, позволяющего измерять величину момента на валу двигателя.

Трехфазные синхронные генераторы

Электрические машины, преобразующие механическую энергию в электрическую, называют генераторами. Трехфазные синхронные генераторы являются единственным типом источников энергии, устанавливаемых на всех электрических станциях переменного тока, как малых, так и мощных систем. Наименование синхронные они получили благодаря синхронному вращению магнитных полей ротора и статора.

Принцип действия синхронного генератора основан на индуктировании э.д.с. в обмотке якоря в результате пе­ресечения ее витков постоянным магнитным полем, создаваемым индуктором. При этом э. д. с. пропорцио-нальна числу витков W, частоте вращения ротора n, числу пар полюсов р и магнитному потоку индуктора Фm:

Е = 4,44 W f Фm ( 1 ) .

Частота переменной э. д. с: f = p · n / 60 , ( Гц ) ( 2 ).

Стандартная частота переменной э.д.с. в России как и большинстве стран мира принята 50 Гц. Поэтому при p = 1 ротор должен вращаться с п = 3000 об/мин.; при р = 2 — п = 1500 мин -1, при р = 3 — п = 1000 мин -1 и так далее. Вследствие этого э. д. с. генератора регулируют магнитным потоком Ф индуктора.

В генераторах основного исполнения ( в лаборатории, аудитория № 111 смотреть на разобранный генератор, установленный на столе) статор имеет чугунную станину, внутри которой установлен кольцевой магнитопровод, набранный из листов электротехнической стали. В пазах магнитопровода размещены одинаковые обмот­ки, смещенные по окружности статора одна относительно другой на 120 градусов. Эти обмотки называют фазными обмотками, а начала и концы соединены в лобовой части обмоток по схеме „звезда» или „треугольник». На клеммный щиток выведены соответственно 4 или 3 провода фаз генератора.

На роторе располагается обмотка возбуждения индуктора, укрепляемая на полюсах магнитопровода, набранного из лис­тов электротехнической стали. Она питается постоянным током через щетки и контактные кольца от небольшого генератора постоянного тока (возбудителя), прикрепленного к одному из подшипниковых щитов генератора. (На электростанциях может быть отдельное исполнение возбудителя). Кроме того, на роторе генераторов небольшой мощности имеется крыльчатка для охлаждения обмоток и магнитопроводов. Ротор может иметь явно выраженные или неявно выраженные полюса.

Явнополюсными выполняют роторы тихоходных генераторов, предназначенных для работы с гидротурбинами. Неявнополюсными изготовляют роторы быстроходных (1500 - 3000 мин -1.) генераторов для паровых турбин и дви­гателей внутреннего сгорания.

На рис. 1 представлены роторы синхронных машин неявно полюсный (а) и явно полюсный (б):1 – сердечник ротора; 2 – обмотка возбуждения.

Синхронный генератор с самовозбуждением типа ПСГС - 6,25 имеет неподвижную магнитную систему (индуктор) и вращаю­щийся якорь с обмоткой переменного трехфазного тока, подведенной к контактным кольцам. Станина выполнена из стальной трубы и представляет ярмо магнитной системы. К нему болтами прикреплены четыре полюса индуктоа. Они собраны из листов электротехнической стали толщиной 2 мм и скреплены между собой штиф­тами. Сердечники полюсов изолированы асбестовой бумагой, пропитанной в бакелитовом лаке. Катушки шунтовой обмотки возбуждения намотаны изолированным медным проводом круглого сечения, соединены

Рис. 2. Монтажная электрическая схема генератора ПСГС-6,25.

между собой по­следовательно, а концы — выведены на клеммное плато. Выводная коробка с клеммным плато расположена на ста­нине. Для поглощения помех радиоприему, создаваемых генератором во время работы, применены конденсаторы. На внутренней стороне крышки выводной коробки наклеена монтажная схема генератора.

На ступице переднего подшипникового щита скомплектована траверса и прикреплена к ней при помощи болтов. К штырям траверсы прикреплены щеткодержатели. Их можно опускать вниз по мере изнашивания контактных ко­лец.

На двух штырях траверсы собрана выпрямительная схема для питания цепей возбуждения. Она состоит из дио­дов, собранных по 3-фазной мостовой двухполупериодной схеме выпрямления (схема Ларионова). На каждом шты­ре закреплено по 6 диодов типа Д-205. На диоды напряжение подается с контактных колец через угольные щетки. Выпрямленное напряжение поступает на клеммное плато, а с него через регулировочный реостат на обмот­ки возбуждения полюсов индуктора.

Якорь состоит из цилиндрического сердечника — магнитопровода, 3-х фазной обмотки переменного тока, от ко­торой выведены концы и соединены с контактными кольцами, центробежного вентилятора и вала с насаженными на него шариковыми подшипниками. Сердечник якоря набран из пластин электротехнической стали толщиной 0,5 мм, собран на валу, имеющем призматическую шпонку (она исключает проворачивание сердечника на валу). От продоль­ного перемещения вдоль оси вала сердечник запрессован между якорными фланцами и закреплен упорным кольцом.

Обмотка переменного тока уложена в полузакрытых пазах якоря и закреплена в них текстолитовыми клиньями. На лобовые части обмотки с каждой стороны наложено по одному бандажу, состоящему из проволочных вит­ков, спаянных между собой.

Техническая характеристика генератора ПСГС-6,25.: Ѕном =6,25 кВА; Uном =230 В; Iном =15,7 А; к.п.д.=76%; cosφ=0,8; f =0,8; nном =1500 мин-1.

Такими генераторами оснащены передвижные автомастерские для выработки электроэнергии в полевых условиях с целью выполнения ремонт-ных работ с применением электроинструмента, а также аварийного электроснабжения маломощных энергопотребителей (зернотоков, ферм и др.)

Рис. 3. Конструкция синхронного генератора малой мощности:

1 — кольца контактные; 2 — щеткодержатели; 3 — обмотка возбуждения ротора; 4 — полюсный наконечник; 5 — статор; 6 — вентилятор; 7 — вал ротора.

Основные характеристики однофазного синхронного генератора

Принцип действия синхронного генератора основан на возникновении

э.д. с. в обмотке якоря в результате пере­сечения ее витков постоянным магнитным полем, создаваемым индуктором.

Якорем называется та часть машины, в обмотке которой наводится переменная э. д. с. Индуктором называется та часть машины, обмотка которой служит для создания главного постоянного магнитного поля. В синхронных ма­шинах основного типа якорем служит статор, а индуктором - ротор.

Величина э. д. с., индуктированная в обмотке статора синхронного генератора, определяется по формуле:

Е = 4,44 к W1 f Ф, ( 1 )

где к — постоянный коэффициент, зависящий от конструктивных параметров машины; W1 - число витков в якорной обмотке; f – частота

генерируемой э.д.с, зависящей от числа пар полюсов р и частоты вращения

ротора п; Ф - постоянный магнитный поток машины.

f = р п / 60 (Гц). ( 2 )

Для практического изучения работы синхронного генератора, т.е. для исследования его электрических, магнит­ных и механических свойств достаточно снять его основные характеристики: холостого хода, внешнюю и регулиро­вочную характеристики.

Зависимость Е = f (Iвозб) , снятая при холостом ходе машины (Iнагр = 0 ) и постоянной частоте вращения п, называется характеристикой холостого хода или магнитной характеристикой генератора.

Внешняя характеристика синхронного генератора определяет его электрические свойства и представляет собой зависимость напряжения U на зажимах генератора от величины тока нагрузки Iн , т.е. U = f ( Iн ) при

п = пн = сопst, Iвозб = сопst, соs φ = сопst.

Подключение к обмотке якоря электроприемников вызывает появление тока нагрузки, который создает в ма­шине свое магнитное поле, воздействующее на магнитное поле индуктора (реакция якоря), в результате последнее искажается, что приводит к изменению величины э.д.с. якоря.

U = Е - Iн Z , ( 3 )

где Z — полное сопротивление цепи.

Семейство кривых, показывающих U = f ( Iн ) при различных соs φ называется внешней характеристикой.

Для обеспечения постоянного напряжения при переменной нагрузке необходимо регулировать ток возбуждения Iвозб. Кривые зависимости Iвозб = f ( Iн ) называются регулировочными характеристиками синхронного генератора. Они показывают, как следует изменять ток в цепи возбуждения, чтобы обеспечить стабильное U при переменной нагрузке.

Генератор ГАБ-1-0/230 с номинальной мощностью 1 кВА, переменного однофазного тока рассчитан на номи­нальное Uн = 230В, Iн = 5,44А при соs φ = 0,8 и Iн = 4,7 А при соs φ = 1, f = 50 Гц, п = 3000 мин-1. Он предназначен для питания силовой и осветительной нагрузки и используется в передвижном бензоэлектрическом агрегате АБ-1-0/230.

Генератор имеет вращающийся индуктор с двумя явно выраженными полюсами. Сердечники полюсов набраны из листов электротехнической стали и стянуты заклепками. На них установлены катушки возбуждения, соединенные с двумя контактными кольцами, насаженными на вал генератора

с изолирующей подкладкой. Через них к катуш­кам подводится постоянный ток возбуждения Iвозб , поступающий от выпрямителя, установленного на корпусе генератора. Для начального возбуждения генератора между полюсами электромагнитов индуктора установлены два постоянных магнита, изготовленных из сплава стали с высокой коэрцитивной силой. Магниты крепятся к валу винтами с помощью наконечников.

Ротор устанавливается в щиты генератора на двух шариковых подшипниках, заполненных смазкой ЦИАТИМ-201.

Статор состоит из корпуса, отлитого из алюминиевого сплава, и запрессованного в него пакета из листов элект­ротехнической стали с обмоткой. В пакете статора имеются 24 полузакрытых паза. В пазы заложены 2 обмотки - силовая ОС и дополнительная - ОД. Начала и концы силовой обмотки, а также начало ОД выведены в статоре со сто­роны контактных колец и подводятся к блоку управления. Концы ОД подведены к селеновому выпрямителю, раз­мещенному на боковой части статора.

3. Модуль. Электроника – ПК-3

Тема №1: Электронные приборы [Джонс]

Физические основы работы полупроводниковых приборов. Полупроводниковые диоды. Источники вторичного электропитания. Однополупериодная и двухполупериодная однофазная и многофазная схемы выпрямления. Управляемый источник напряжения. Сглаживающие фильтры.

Транзисторы: биполярные и полевые. Схемы включения. Вольтамперные характеристики. Интегральные микросхемы.

По своим электрическим свойствам твердые вещества можно разделить на три класса: проводники, изоляторы и полупроводники. Класс, в который попадает тот или иной материал, зависит от поведения электронов на внешней орбите атома. В случае изолятора, такого как полиэтилен, эти валентные электроны прочно связаны с ядром и лишь немногие из них способны порвать связь со своими атомами и участвовать в движении, образующем электрический ток. В проводнике, таком как медь, очень много свободных электронов при любой температуре выше абсолютного нуля, поскольку валентные электроны совсем слабо связаны со своими атомами и свободно дрейфуют.

Полупроводники являются необычными материалами. Полупроводником, чаще все применяемым в транзисторах, является кремний, хотя используется и германий. Оба эти элемента — четырехвалентные, то есть на внешней орбите их атомов находятся по четыре электрона. Кристаллы кремния и германия имеют очень ясную и стройную структуру, благодаря которой атомы удерживаются вместе в устойчивом образовании; говорят, что устойчивость обеспечивается ковалентной связью. Известно, что при наличии у атома восьми валентных электронов вещество оказывается очень стабильным (инертные газы находятся в таком состоянии). Соседние атомы в кристалле кремния или германия принимают совместное участие в таком образовании, в результате чего каждое ядро имеет «половинную долю» в восьми валентных электронах вместо индивидуального владения четырьмя валентными электронами, которыми обладал бы изолированный атом. Такая структура из атомов кремния схематически показана на рис. 16(a); каждая из указанных на рисунке связей между атомами, представляет собой совместно используемый валентный электрон. Здесь интересно отметить, что чрезвычайная твердость алмаза связана с тем, что четырехвалентные атомы углерода имеют такую же

Алмаз действительно считается полупроводником, но прочность ковалентных связей, которая и обеспечивает его физическую твердость, приводит фактически к очень слабой электропроводности. Какое счастье, что для транзисторов мы имеем намного лучшие и значительно более дешевые альтернативные материалы!

Электроны и дырки

Идеальная решетка из атомов кремния, показанная на рис. 1.6(a), существует только при температурах вблизи абсолютного нуля. При комнатной температуре вследствие тепловых колебаний атомов происходит разрыв некоторых связей; электроны отрываются от атомов и свободно блуждают по кристаллу. Там, где электрон становится свободным, он оставляет после себя дырку или отсутствие отрицательного заряда, которое также может казаться перемещающимся, если разорванная связь заполняется электроном из соседнего атома. На рис. 1.6(A) представлен участок кристаллической решетки кремния при комнатной температуре со свободным электроном и получившейся дыркой.

Наличие свободных электронов делает кремний проводником

электричества, хотя и очень плохим. Если, например, подключить образец из кремния к батарее, то приложенное поле будет увлекать свободные электроны по направлению к положительному выводу. При этом дополнительные свободные электроны появляются на отрицательном выводе и могут передвигаться по полупроводнику, перескакивая от дырки к дырке. Так устанавливается электрический ток. Если температура полупроводника увеличивается, то разрывается большее число связей, появляется больше электронов и дырок и проводимость растет. Интересно отметить, что этот температурный эффект прямо противоположен эффекту, наблюдаемому в металлах: даже при низких температурах в проводнике имеется такое облако свободных электронов, что фактором, ограничивающим проводимость, является уже не отсутствие свободных электронов, а их способность двигаться между атомами металла. При увеличении температуры проводника амплитуда колебаний атомов увеличивается и они в большей степени препятствуют движению свободных электронов. Таким образом, с ростом температуры сопротивление проводника увеличивается, тогда как у полупроводника оно падает. Очень слабая проводимость, которой обладает чистый полупроводник, называется собственной проводимостью.

Проводимость полупроводника с примесями.

Добавление примесей в полупроводник приводит к интересным результатам. Атомы некоторых примесей способны внедряться в кристаллическую решетку, не внося в нее чрезмерной деформации, и в случае, когда валентность этих атомов отличается от собственной валентности полупроводника, проводимость кристалла значительно возрастает. На рис. 1.7 показан результат введения пятивалентных атомов фосфора в кристалл кремния. Четыре из пяти валентных электронов связаны с соседними атомами кремния, а оставшийся электрон настолько слабо связан, что становится свободным и может передвигаться по кристаллу, увеличивая его проводимость. Введение примесей в полупроводник называют легированием, а появляющаяся при этом проводимость называется примесной проводимостью. Пятивалентные примеси, такие как фосфор, называются донорными, так как они добавляют свободные электроны в кристалл. Поскольку примесная проводимость в данном случае обусловлена свободными отрицательными зарядами (электронами), этот тип легированных полупроводников называют полупроводниками п-типа.

На рис. 1.8 показан эффект от введения в кремний трехвалентных атомов бора. Несмотря на то, что атом бора имеет только три валентных электрона, он принимает дополнительный электрон от одного из соседних атомов кремния для заполнения его ковалентных связей. Это приводит к образованию в решетке дырки или отсутствия электрона, и такая дырка может перемещаться, участвуя, таким образом, в обеспечении проводимости. На самом деле, конечно, при этом происходят перескоки валентных электронов, но результат заключается в том, что дырка переходит от атома к атому. Трехвалентные примеси, подобные бору, называют акцепторными, поскольку они, будучи введены в кристалл, способны принимать электроны. Так как теперь проводимость обусловлена положительными дырками, этот легированный полупроводник носит название полупроводника р-типа.

Важно понимать, что образец полупроводника как р - типа, так и n-типа, сам по себе не обладает в целом электрическим зарядом. В любом случае общее число электронов уравновешивается таким же числом протонов в ядрах атомов. Обозначения р- и n- относятся только к типу зарядов, ответственных за проводимость внутри кристалла.

Основные и неосновные носители

Несмотря на то, что наличие примеси в легированных полупроводниках является основной причиной проводимости, все же остается и собственная проводимость чистого полупроводника, вызванная нарушением ковалентных связей из-за тепловых колебаний. Таким образом, в материале л-типа кроме свободных электронов, обусловленных донорной примесью, имеется небольшое количество дырок, образовавшихся в результате тепловой генерации пар электрон-дырка. Аналогично в материале р-типа имеется немного электронов теплового происхождения. Носители зарядов, намеренно введенные путем легирования, называют основными носителями, тогда как носители зарядов (противоположного знака — Прим. перев.), возникающие в результате тепловых колебаний, называются не основными.

р-п переход

Работа полупроводникового прибора, такого как транзистор, определяется эффектами, имеющими место на границе между материалами р- и п-типа. На этой стадии важно понять, что полупроводниковый переход представляет собой изменение материала с р-типа на п-тип в пределах одной и той же непрерывной кристаллической решетки. При простом соединении образцов материала р-типа и материала п-типа не возникает р-n переход.

На рис. 1.9 показан диод, представляющий собой р-п переход с металлическими контактами с каждой стороны. Под изображением перехода приведен график изменения потенциала на р-п переходе. Как только переход образован, часть свободных электронов из области п-типа вблизи границы переходит в область р-типа и заполняет часть дырок р-п области. На месте электронов остается область с некомпенсированным положительным зарядом. То же самое происходит в области р-тпа, где возникает отрицательный заряд.

Эти заряды образуют потенциальный барьер, препятствующий дальнейшему перемещению электронов через переход, благодаря чему наступает равновесие. В результате такого начального перемещения дырок и свободных электронов вблизи р-п перехода практически не остается свободных носителей. Эта область, шириной менее одного микрона, называется обедненным слоем.

Смещенный р-п переход

Если к р-п переходу подключен внешний источник постоянного напряжения, то потенциальный барьер обедненного слоя увеличивается или уменьшается в зависимости от полярности поданного напряжения или смещения.

На рис. 1.10 показаны оба случая: (а) обратное смещение, когда потенциальный барьер увеличивается, а обедненный слой расширяется, и (Ь) прямое смещение, когда барьер уменьшается, а обедненный слой сужается. В случае обратного смещения через переход течет очень маленький ток, связанный с тепловым разрушением ковалентных связей в обеих областях.

Не основные носители имеют такую полярность, которая способствует их прохождению через переход. Однако при комнатной температуре этот обратный ток у кремниевого перехода настолько мал (порядка 1 нА), что на практике им часто пренебрегают. Когда же переход смещен в прямом направлении, потенциальный барьер понижается, нарушается равновесие и часть электронов из п области и дырок из р области теперь способны пересечь переход.

Чем больше напряжение прямого смещения, тем ниже потенциальный барьер, тем большее число электронов и дырок проходит сквозь обедненный слой и, следовательно, возникает ток, текущий через переход.

Следует отметить, что при увеличении э.д.с. прямого смещения, эффективное сопротивление перехода уменьшается из-за понижения потенциального барьера. В результате небольшое увеличение напряжения, приложенного в прямом направлении, вызывает значительное увеличение тока. Обычно у маломощных кремниевых диодов напряжение прямого смещения 0,6 В вызывает ток около 1 мА, а при напряжении 0,8 В ток возрастает до 100 мА.

Прямая и обратная характеристики типичного маломощного кремниевого диода показаны на графике зависимости тока от приложенной э.д.с. на рис. 1.11. Из графика видно, что кремниевый переход практически не проводит ток, пока э.д.с. прямого смещения не превышает 0,5 В. У германиевых переходов эта величина меньше и составляет 0,2 В.

Из сказанного следует, что ток может свободно протекать через диод в одном направлении, а в другом направлении диод представляет собой почти бесконечное сопротивление. Такая односторонняя характеристика указывает на важное применение диодов: выпрямление, преобразование переменного напряжения в постоянное.

Лавинный пробой

Хотя при обратном смещении диод ведет себя как изолятор, дальнейшее увеличение приложенного напряжения приводит к ситуации, когда переход вдруг начинает проводить (рис. 1.12). Происходит это из-за электронов теплового происхождения, приобретающих за счет электрического поля в обедненном слое энергию, достаточную для образования новых пар электрон-дырка при соударении с атомами кремния. Эти вновь образовавшиеся носители затем сами создают свободные носители и лавина нарастает. Процесс не приводит к разрушению перехода, если ограничить ток и тем самым не допустить его перегрева. Лавинный пробой может происходить при напряжениях от 5 В до 1000 В и выше. Напряжение пробоя зависит от конструкции диода и степени легирования кремния. Значением напряжения пробоя

ограничивается обратное пиковое напряжение в выпрямителях.

Выпускаются специальные диоды с низким напряжением пробоя, которые называются зенеровскими, по имени Карла Зенера, который в 1934 году открыл механизм электрического пробоя. Зенеровские диоды (стабилитроны - Прим. переев) обычно имеют очень высокую степень легирования, создающую большую концентрацию основных носителей и позволяющую обедненному слою оставаться тонким даже при обратном смещении перехода. В результате градиент потенциала становится настолько большим, что пробой может произойти при обратном напряжении менее 3 В. Очень крутая характеристика пробоя, показанная на рис. 1.12, говорит о том, что

падение напряжения на диоде в режиме пробоя остается почти постоянным.

при изменении обратного тока в широком диапазоне. Поэтому, стабилитроны используются для стабилизации выходного напряжения в источниках питания. Строго говоря, понятие зенеровского пробоя включает в себя туннельный эффект при преодолении потенциального барьера и применимо только к диодам с напряжением пробоя менее 5 В, а при напряжении пробоя более 5 В диоды правильнее называть лавинными.

Транзистор [4]

Биполярный транзистор состоит из двух р-п переходов, образованных слоями полупроводников с примесями. На рис. 1.13 показана самая простая конструкция п-р-п транзистора. Тонкий слой слабо легированного полупроводника р-типа (база) расположен между двумя более толстыми слоями п-типа (эмиттер и коллектор). Толщина базы может быть меньше одного микрона.

Принцип действия транзистора

На рис. 1.14 показан транзистор, включенный по схеме с общим эмиттером.

В схеме, приведенной на рис. 1.14(a), ток базы не течет, а в схеме на рис. 1.14(A) переключатель 5 замкнут, позволяя току из батареи В1 течь в базу транзистора. Сначала рассмотрим схему на рис. 1.14(a). Важно отметить, что переход коллектор-база смещен в обратном направлении и имеющийся потенциальный барьер препятствует потоку основных носителей. Таким образом, пренебрегая утечкой, можно считать, что при разомкнутом ключе S коллекторный ток равен нулю. Теперь рассмотрим, что произойдет, когда ключ S замкнут (рис. 1.14(A)). Переход база-эмиттер становится смещенным в прямом направлении, а переход коллектор-база остается смещенным в обратном направлении. Благодаря смещению перехода база-эмиттер в прямом направлении электроны из эмиттера п-типа посредством диффузии проходят по базе р-типа по направлению к обедненному слою на переходе база-коллектор. Эти электроны, являющиеся неосновными носителями в области базы, достигнув обедненного слоя, по потенциальному барьеру «как с горки» быстро скатываются в коллектор, создавая тем самым в транзисторе коллекторный ток. Действие смещенного в прямом направлении перехода база-эмиттер напоминает открывание ворот и позволяет току протекать по цепи эмиттер-коллектор. Таков принцип действия транзистора.

Следующий момент требует объяснения. Почему электроны не рекомбинируют с дырками в базе р-типа в процессе диффузии в сторону коллектора? Ответ состоит в том, что базу делают совсем слабо легированной, то есть с низкой концентрацией дырок, и очень тонкой; следовательно, имеется лишь малая вероятность того, что электрон будет перехвачен дыркой и рекомбинирует. Когда электрон рекомбинирует в области базы, происходит кратковременное нарушение равновесия, поскольку база приобретает отрицательный заряд. Равновесие восстанавливается с приходом дырки из базовой батареи В2 Батарея В1 является источником дырок для компенсации рекомбинирующих в базе, и эти дырки образуют базовый ток транзистора. Благодаря базовому току в базе не происходит накопления отрицательного заряда и переход база-эмиттер поддерживается смещенным в прямом направлении, а это, в свою очередь, обеспечивает протекание коллекторного тока. Таким образом, транзистор является прибором, управляемым током.

Отношение тока коллектора к току базы называется коэффициентом усиления тока (hfE). Он должен равняться числу электронов в секунду, успешно проследовавших от эмиттера к коллектору, деленному на число рекомбинировавших. В типичном маломощном кремниевом транзисторе приблизительно 1 из 100 электронов рекомбинирует в базе, так что усиление тока имеет значение порядка 100.

Фактически в работе транзистора принимают участие как электроны, так и дырки, что отличает его от униполярного или полевого транзистора. Ранее упоминалось, что при смещении р-п перехода в прямом направлении текущий по нему ток образуют как электроны, так и дырки. Но при рассмотрении смещенного в прямом направлении перехода база-эмиттер мы пока учитывали только электроны, пересекающие этот переход. Такой подход оправдан практически, поскольку область эмиттера п-типа специально легируется очень сильно, чтобы обеспечить большое число свободных электронов, в то время как область базы легируется совсем слабо, и это дает настолько мало дырок, что ими можно пренебречь при рассмотрении тока через переход база-эмиттер. Эмиттер так сильно легирован, что напряжение лавинного пробоя перехода база-эмиттер обычно всего лишь 6 В. Этот факт нужно иметь в виду при работе с некоторыми переключающими схемами, где необходимо позаботиться о том, чтобы обратные смещения не были слишком большими. Но это обстоятельство может быть и полезным, поскольку переход база-эмиттер маломощного транзистора ведет себя как 6-вольтовый стабилитрон и иногда используется в этом качестве.

Источники питания[5] .

Общие положения

Для многих современных электронных устройств необходимо питание от источников постоянного тока. Для преобразования переменного тока в постоянный ток применяют выпрямители, в которых используют электровакуумные, ионные и полупроводниковые приборы, обладающие вентильными свойствами, т. е. односторонней проводимостью. В данной теме рассматриваются выпрямители на полупроводниковых приборах, которые в настоящее время находят наибольшее применение.

Структурная схема выпрямительного устройства приведена на рис. 2.1.

Силовой трансформатор Тр предназначен для согласования входного (сетевого) u1 и выходного (выпрямленного) Uн напряжений выпрямителя, он электрически отделяет питающую сеть от цепи нагрузки Н. Блок вентилей В выполняет функцию выпрямления переменного тока. Для уменьшения пульсаций выпрямленного тока в цепи нагрузки Н применяют сглаживающий фильтр СФ. В случае управляемого выпрямителя необходим блок управления БУ, содержащий систему управления вентилями и систему автоматического регулирования уровня выходного напряжения.

В неуправляемые выпрямители встраивают блок стабилизации СТ, поддерживающий номинальный уровень выходного напряжения или тока нагрузки при колебаниях напряжения сети.

Классификационные признаки выпрямителей:

неуправляемые (Uн = const) и управляемые (Uн = var);

однополупериодные и двухполупериодные;

однофазные и многофазные (чаще трехфазные);

малой (до 1 кВт), средней (до 100 кВт) и большой (свыше 100 кВт) мощности;

низкого (до 25 В), среднего (до 1000 В) и высокого (свыше 1000 В) напряжений.

Основные параметры выпрямителя:

Uн.ср (Iн.ср) — среднее значение выпрямленного напряжения (тока) нагрузки;

Um.ог — амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения;

q_n = Um.ог/Uн.ср — коэффициент пульсации выпрямленного напряжения;

S — мощность трансформатора (в вольтамперах — В•А или в киловольтамперах — кВ•А);

Iпр.ср — прямой средний ток вентиля;

Uпр.ср — среднее напряжение (меньше 2,5 В) на вентиле при токе Iпр.ср;

Uобр.max и Iпр.max — максимальные допустимые обратное напряжение и прямой ток вентиля.

Однофазные выпрямители

Однофазные выпрямители переменного тока широко применяют для питания различных устройств электронной аппаратуры. Мощность этих выпрямителей колеблется от десятков до нескольких сотен ватт. Основными схемами однофазных выпрямителей являются: однополупериодная и двухполупериодная (мостовая или со средней точкой).

Однофазная однополупериодная схема выпрямления (рис. 2.2, а) с активной нагрузкой является простейшей из известных схем выпрямления. Она состоит из силового трансформатора Тр, одного вентиля (диода) VD и нагрузки Rн.

Первичная обмотка трансформатора включена в сеть переменного тока с напряжением u1; к вторичной обмотке с напряжением u2 последовательно подключены диод и нагрузка.

Временные диаграммы напряжения u2 вторичной обмотки трансформатора, напряжения на нагрузке uн и на вентиле ud представлены на рис. 2.2, б, в, г.

Ток iн в нагрузке протекает только при положительной полуволне вторичного напряжения u2 трансформатора, т. е. когда напряжение на аноде диода более положительное, чем на его катоде. При этом напряжение на диоде Uпр < 2,5 В. При отрицательной полуволне u2 диод закрыт, максимальное обратное напряжение на диоде Uобр.max » U2m.

Ток в нагрузке Rн протекает только в один полупериод синусоидального напряжения, отсюда название выпрямителя — однополупериодный.

Рассчитаем среднее выпрямленное напряжение за период по формуле

т.е.

.

среднее значение пульсирующего тока.

Амплитуду Um.ог основной гармоники выпрямленного напряжения uн определим из его разложения в ряд Фурье:

откуда

Umог = U_{2 m} / 2 .

Тогда коэффициент пульсации

Однофазные полупроводниковые выпрямители используют для питания устройств, требующих малого тока и высокого напряжения, например, для питания электроннолучевых трубок, трубок рентгеновских аппаратов и др.

К недостаткам этих выпрямителей следует отнести следующее: униполярный ток, который проходя через вторичную обмотку, намагничивает сердечник трансформатора, изменяя его характеристики и уменьшая КПД; малое значение выпрямленного напряжения (Uн.ср » 1/3U2m); высокий уровень пульсаций (qn = 1,57) и большое обратное напряжение на диоде (Uобр » U2m).

Мостовая схема двухполупериодного выпрямителя (рис. 2.3, а) состоит из трансформатора Тр и четырех диодов, собранных по мостовой схеме.

Одна из диагоналей моста соединена с выводами вторичной обмотки трансформатора, вторая диагональ — с нагрузкой Rн. Положительным полюсом нагрузки является общая точка соединения катодов вентилей, отрицательным — точка соединения анодов. Временные диаграммы выпрямленного напряжения uн и тока iн приведены на рис. 2.3, б. В положительный полупериод синусоидального напряжения u2, когда точка 1 находится под положительным, а точка 2 под отрицательным потенциалами, ток i2' протекает через вентиль VD1, сопротивление нагрузки Rн и вентиль VD3.

Вентили VD2 и VD4 в этот момент закрыты, так как находятся под обратным напряжением.

Во второй полупериод, когда в точке 1 вторичной обмотки отрицательный потенциал, а в точке 2 — положительный, ток i2» протекает через вентиль VD2, нагрузку Rн и вентиль VD4 в направлении, указанном стрелками с одним штрихом. Вентили VD1 и VD3 в этот момент закрыты, так как находятся под обратным напряжением.

Таким образом, токи i2' и i2», протекающие через нагрузку Rн, совпадают по направлению. Кривые напряжения и тока на нагрузке (см. рис. 2.3, б) повторяют (при прямом напряжении на диодах Uпр » 0) по величине и форме выпрямленные полуволны напряжения и тока вторичной обмотки трансформатора. Они пульсируют от нуля до максимального значения U2m.я

Средние значения выпрямленного напряжения и тока равны:

А, коэффициент пульсации:

Обратное напряжение на вентиле

Трехфазные выпрямители

Для выпрямления трехфазного тока применяют мостовые схемы и схемы с нулевой точкой. Обычно применяют мостовую схему (схему Ларионова), которая состоит из трёхфазного трансформатора Тр, шести вентилей и нагрузки Rн (рис. 2.4, а).

Вентили схемы объединены в две группы — катодную с объединенными катодами вентилей VD1, VD2 и VD3 и анодную с объединенными анодами вентилей VD4, VD5 и VD6. Первичная и вторичная обмотки трансформатора могут быть соединены как по схеме треугольник, так и по схеме звезда (см. рис. 2.4, а), напряжения на фазах которых сдвинуты по отношению друг к другу на 120⁰

В рассматриваемой схеме в каждый момент времени открыты два вентиля: один из катодной группы, другой из анодной группы. В катодной группе ток протекает через вентиль, на аноде которого положительный потенциал в данный момент времени является наибольшим, а в анодной группе ток протекает через вентиль, на катоде которого в данный момент наибольший отрицательный потенциал. Так, в интервал времени от t1 до t2 ток протекает через вентили VD1 и VD5, в интервале от t2 до t3 через вентили VD1 и VD6 и т. д. (рис. 2.4, б).

Положительные полуволны синусоид фазных напряжений u2a, u2b и u2c выпрямляются вентилями катодной группы, т. к. эти направления напряжений для них являются проводящими, а отрицательные полуволны выпрямляются вентилями анодной группы. Следовательно, на нагрузке формируется напряжение uн, равное сумме выпрямленных напряжений катодной и анодной групп, а именно, отрезками чередующихся линейных напряжений uab, ubc и uca с частотой, в шесть раз большей частоты напряжения сети. Через каждый вентиль протекает ток в течение одной трети периода.

Средние выпрямленные напряжение и ток мостовой схемы:

Максимальное значение обратного напряжения на вентиле равно максимальному линейному напряжению вторичной обмотки трансформатора.

Коэффициент пульсации напряжения в нагрузке

Преимущества трехфазной мостовой схемы выпрямления переменного напряжения: высокая частота и незначительная пульсация выпрямленного напряжения, что уменьшает размеры и массу сглаживающего фильтра; хорошее использование вентилей по напряжению, что позволяет получить высокое выпрямленное напряжение. Её основной недостаток — необходимость в шести вентилях.

Сглаживающие фильтры

Требования к уровню пульсации напряжения, питающего электронную аппаратуру, очень высокие: так, допустимый коэффициент пульсации qn для питания двухтактных усилителей напряжения не должен превышать 1…ј2%, однотактных усилителей 0,1…0,5%, а усилителей промежуточной частоты — 0,01…ј0,05%.

Сглаживающие фильтры предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения на нагрузке до значений, при которых не сказывается их отрицательное влияние на работу электронной аппаратуры. Они должны пропускать постоянную составляющую выпрямленного напряжения и заметно ослаблять его гармонические составляющие.

Действие фильтра по уменьшению пульсации напряжения (тока) на нагрузке характеризуется коэффициентом сглаживания kc, представляющим собой отношение коэффициента пульсации на выходе выпрямителя qn1 (до фильтра) к коэффициенту пульсации на нагрузке qn2 (после фильтра), т. е. kc = qn1 / qn2.

На рис. 2.5. приведены схемы простейших однофазных сглаживающих фильтров широкого применения.

Ёмкостный фильтр (рис. 2.5, а) включают параллельно нагрузке Rн, что исключает прохождение через нагрузку высокочастотных гармонических составляющих тока.

Управляемые выпрямители

Растёт группа потребителей энергии, которые нуждаются в регулируемом выходном напряжении. Для питания таких потребителей применяют тиристорные выпрямители:

однофазные при малых токах потребления и трехфазные большой мощности.

На рис. 2.12, а приведена схема однофазного управляемого выпрямителя с выводом нулевой точки трансформатора. В качестве вентилей в выпрямителе использованы тиристоры VS1 и VS2.

При указанной на рис. 2.12, а полярности вторичного напряжения u2 трансформатора Tр тиристор VS1 может пропускать ток iн' при условии, что на его управляющий электрод поступит сигнал управления Iy1. Этот сигнал подают со сдвигом по фазе по отношению к моменту естественного отпирания на угол a, называемый углом управления (рис. 2.12, б). Моментом естественного отпирания тиристора называют момент появления положительного напряжения между анодом и катодом тиристора (при a = 0).

При включении тиристора при активной нагрузке Rн в момент времени

wt = a напряжение на нагрузке Uн возрастает скачком до значения Uн' = u2' (при идеальном тиристоре и идеальном трансформаторе). При wt = π ток вентиля и ток нагрузки становятся равными нулю, тиристор VS1 запирается. До отпирания тиристора VS2 в нагрузке появляется бестоковая пауза, энергия в нагрузку не передается. В момент wt = π + a подается управляющий импульс на тиристор VS2, тиристор открывается, к нагрузке прикладывается напряжение uн». Ток протекает через нижнюю полуобмотку трансформатора, тиристор VS2 и нагрузку, сохраняя прежнее направление. В момент wt = 2 π происходит выключение тиристора VS2.

Среднее значение напряжения нагрузки

Уменьшение среднего напряжения Uср при увеличении угла a показано на рис. 2.12, в. Зависимость Uср(a) называют регулировочной характеристикой выпрямителя.

Задержка по фазе управляющих сигналов, подаваемых на тиристоры, осуществляется с помощью систем импульсного фазового управления.

Тема №2: Электронные устройства.

Усилители различного назначения.

Усилитель — устройство, увеличивающее мощность (напряжение, ток) входного сигнала за счет энергии внешнего источника питания посредством усилительных элементов (полупроводниковых приборов, электронных ламп и др.).

На рис. 3.1. представлена структурная

схема включения усилителя в цепь усиления электрического сигнала,

где 1 — источник входного сигнала;

2 — усилитель;

3 — источник питания;

4 — нагрузка.

В качестве источника питания усилителя используют стабильные источники энергии постоянного тока. Источник входного Рис. 3.1сигнала (датчик) формирует изменяющееся во времени напряжение u_вх (ток i_вх) различной амплитуды, частоты и формы. Нагрузка усилителя — устройство, которое можно представить в виде линейного пассивного двухполюсника. Сам усилитель с парой входных и парой выходных зажимов обычно представляют в виде нелинейного четырехполюсника вследствие нелинейности характеристик входящих в него элементов.

Усиление входного сигнала по мощности (по напряжению, по току) происходит за счет преобразования электрической энергии источника питания в энергию выходного сигнала вследствие изменения сопротивления усилительных элементов (транзисторов, электронных ламп и др.) по закону, задаваемому входным сигналом.

Условное обозначение усилителей на схемах изображено на рис. 3.2. Напряжение входа u_вх и напряжение выхода u_вых измеряют относительно общего вывода (рис. 3.2, а).

При упрощенном изображении усилителя в виде прямоугольника, на нем изображают только вход и выход (рис. 3.2, б), опуская выводы напряжения питания Un и общий вывод.

Важнейшим параметром усилителя является коэффициент усиления по мощности, равный отношению изменения мощности выходного сигнала к изменению мощности входного сигнала, т. е.

Помимо коэффициента усиления по мощности вводят также:

коэффициент усиления по напряжению;

коэффициент усиления по току

Тогда коэффициент усиления по мощности Kp=KuKi . В некоторых схемах усиления один из двух коэффициентов (Ku или Ki) может быть меньше единицы.

Электронные усилители классифицируют по следующим признакам:

по усиливаемой величине: усилители напряжения (УН), тока (УТ),

мощности (УP);

по назначению: измерительные; для устройств теле и радиовещания; общепромышленного использования;

операционные, используемые в аналоговых и аналого-цифровых устройствах;

по характеру усиливаемых сигналов: усилители гармонических, импульсных и другой формы сигналов;

по частоте усиливаемых сигналов: усилители постоянного тока (УПТ); усилители звуковой частоты (УНЧ, f < 30 кГц); усилители высокой частоты (УВЧ, f < 300 МГц); усилители сверхвысокой частоты (УСВЧ, f < 300 ГГц);

по ширине частотного спектра выходного сигнала: широкополосные и узкополосные (резонансные); по схеме включения транзисторов: с общим эмиттером (ОЭ); с общей базой (ОБ);

с общим коллектором (ОК); с общим истоком (ОИ); с общим стоком (ОС); с общим затвором (ОЗ);

по количеству каскадов усиления: однокаскадные; многокаскадные (каскад предварительного усиления, промежуточные и выходной каскады);

по типу связи между каскадами и между оконечным каскадом и нагрузкой: резистивная (гальваническая), ёмкостная, трансформаторная.

У многокаскадного усилителя общий коэффициент усиления равен произведению коэффициентов усиления отдельных каскадов:

K = K1 ⋅K2 ⋅...⋅Kn.

На практике обычно используют логарифмическую (десятичную) меру оценки коэффициентов усиления, измеряемую в децибелах (дБ):

Kp(дБ) =10lg(Рвых /Рвх) =10lgKp ; Ku(дБ) =20lgKu и Ki(дБ) =20lgKi .

Например, для двухкаскадного усилителя с коэффициентами Ku1 =100 и Ku2 =10

Ku(дБ) =20lgKu1+20lgKu2=20⋅2+20⋅1=60дБ.

3.2 Характеристики усилителей

Важнейшими характеристиками усилителя являются амплитудная и частотные. Амплитудная характеристика описывает усилитель при фиксированной нагрузке и подаче на вход синусоидального напряжения фиксированной частоты:

u_вх =U_msinωt, ω=const .

Амплитудная характеристика — это зависимость амплитуды (или действующего значения) выходного сигнала от амплитуды (или действующего значения) входного синусоидального сигнала, т. е. U_вых= f (U_вх).

Типичный вид амплитудной характеристики усилителя изображен на рис. 3.3.

Пунктиром показана амплитудная характеристика идеального усилителя. Отклонение реальной характеристики от идеальной объясняется наличием шумов и нелинейностям характеристик усилительных элементов при слабых и больших входных сигналах.

Динамическим диапазоном усилителя в децибелах называют отношение максимального значения входного напряжения к минимальному на линейном участке ab амплитудной характеристики (см. рис. 3.3):

Коэффициент усиления по напряжению на этом участке

Уровень шума — это отношение напряжения шумов U_ш в режиме покоя (приведенного к входу усилителя) к максимальному значению выходного напряжения U_вых.max, выраженное в децибелах:

Коэффициент нелинейных искажений

где U_m1 — амплитуда первой гармоники; U_m2, U_m3, ј — амплитуды высших гармоник выходного напряжения.

Частотные характеристики усилителя строят при фиксированной нагрузке и входном синусоидальном напряжении:

Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) — это зависимость коэффициента усиления, например, по напряжению Ku от частоты f входного сигнала.

Обычно АЧХ строят на двойной логарифмической сетке: по оси ординат откладывают значения Ku в децибелах, а по оси абсцисс — частоту в логарифмическом масштабе, однако около делений записывают значения частоты без логарифма (рис. 3.4).

Полоса пропускания усилителя определяет диапазон частот f (или w), в пределах которой коэффициент усиления на средней частоте не снижается ниже

своего уровня:

где fв и fн — верхняя и нижняя частоты среза АЧХ усилителя.

Фазочастотная характеристика (f) — зависимость угла сдвига фаз между выходным и входным напряжениями усилителя от частоты f (см. рис. 3.4). Фазовые искажения в усилителе отсутствуют, когда фазовый сдвиг линейно зависит от частоты.

Входное и выходное сопротивления усилителя:

Выходная мощность при сопротивлении нагрузки R_н

Типичная схема однокаскадного усилителя на биполярном транзисторе.

На принципиальной схеме усилителя на биполярном транзисторе VT, включенного по схеме с общим эмиттером (рис. 3.5), обозначено:

Ec, Rc и En, Rвт — источники входного сигнала и питания транзистора с соответствующими внутренними сопротивлениями;

u_вх — напряжение входного сигнала;

R_Б1 и R_Б2 — резисторы делителя напряжения питания Un (обычно напряжение Un = 10-30 В), предназначенные для установки тока базы IБ транзистора (по постоянному току), т. е. рабочей точки (точки покоя) на линии нагрузки;

R_Э — резистор отрицательной обратной связи транзистора VT по постоянному току, подбором сопротивления которого обеспечивается температурная стабилизация его режима усиления. Так, при увеличении температуры возрастают постоянные составляющие токов коллектора I_К и эмиттера I_Э и происходит падение напряжения R_ЭI_Э. В результате напряжение U_БЭ уменьшается, что вызывает уменьшение тока базы I_Б, и, следовательно, тока I_К, стабилизируя его;

C_Э — конденсатор большой ёмкости (десятки микрофарад), шунтирующий сопротивление резистора R_Э по переменному току, что исключает ослабление усиливаемого сигнала по переменному току цепью обратной связи;

R_К — нагрузочный резистор, сопротивление которого ограничивает ток коллектора I_К транзистора VT;

С₁ и С₂ — разделительные конденсаторы входной и выходной цепей, обеспечивающие гальваническую развязку усилителя по постоянному току (предотвращающие прохождение постоянной составляющей тока от источника сигнала к усилителю и от усилителя к нагрузке).

Импульсные устройства[5].

Особенности и преимущества передачи информации в импульсном режиме.

В импульсной технике используются кратковременные, прерывистые электрические колебания. Импульсная техника служит, в частности, базой радиолокации, радионавигации, телевидения, многоканальной связи. На основе импульсной техники созданы современные ЭВМ.

К импульсным устройствам относят функциональные узлы, предназначенные для формирования импульсных сигналов требуемой формы и выполнения над ними различных операций и преобразований (интегрирования, дифференцирования, задержки по времени, изменения формы, длительности, селекции по амплитуде и т. п.).

Импульсными сигналами принято называть электрические колебания, существующие в пределах конечного отрезка времени. Электронные узлы (устройства) функционируют в импульсном режиме, при котором кратковременная работа устройства чередуется с паузой. Большую группу импульсных устройств составляют генераторы прямоугольных сигналов, для обозначения которых согласно ГОСТ 18682273 используют буквы ГГ,

например, К218ГГ1 серии 218, генераторы линейно изменяющихся сигналов обозначаются ГЛ, а генераторы смешанной формы — ГФ.

Группа импульсных устройств, работающих с одиночными прямоугольными импульсами, выделилась в самостоятельный класс цифровых устройств.

Отметим преимущества устройств, работающих в импульсном режиме, по сравнению с устройствами непрерывного действия:

в импульсном режиме достигается большая мощность в импульсе при малом

значении потребляемой средней мощности устройства;

меньшее влияние разброса параметров полупроводниковых элементов и температуры, так как они работают в ключевом режиме (включение — выключение);

большая пропускная способность передачи информации и лучшая помехоустойчивость (меньшее искажение информации);

удобство разработки сложных устройств на основе нескольких однотипных элементов, получаемых методами интегральной технологии.

Основные типы импульсных устройств

Мультивибраторы

Автоколебательный мультивибратор

Простейшая схема автоколебательного мультивибратора, предназначенного для генерации прямоугольных импульсов напряжения, приведена на рис. 10.8. Рассмотрим процесс автоколебаний (рис. 10.8, б):

1. Пусть в исходном состоянии полностью открыт, т.е. , а закрыт, т.е. . Тогда конденсатор заряжается по цепи: . В результате роста напряжения на увеличивается потенциал , и начинает открываться.

2. Переходный процесс опрокидывания схемы заключается в следующем:

. Таким образом, действует ПОС, которая приводит к быстрому полному открыванию и закрыванию , т.е. , а .

а б

Рис. 10.8. Схема мультивибратора (а) и временные диаграммы его работы (б)

3. Тогда конденсатор заряжается по цепи: .

В результате роста напряжения на увеличивается потенциал , и начинает открываться.

4. Переходный процесс обратного опрокидывания схемы аналогичен: . В результате действия ПОС схема возвращается в исходное состояние.

Для запуска автоколебаний необходимо обеспечить либо несимметричность схемы, чтобы при включении питания оба транзистора не оказались одновременно в насыщении, либо активный режим для обоих транзисторов, и тогда автоколебание установится. Для этого в схему обычно вводят дополнительные RС-цепочки задержки установки смещения в цепях по сравнению с цепями коллекторов, например, как цепь в схеме на рис. 10.9.

Рис. 10.9. Обеспечение запуска колебаний путем RC-задержки

в цепи смещения транзисторов мультивибратора

Более эффективны мультивибраторы на ОУ. В рассматриваемой ниже схеме (рис.10.10) резисторы R₁R₂ образуют цепь ПОС, а R₀C – цепь ООС, которая также является времязадающей цепью.

Напряжение определяется напряжением стабилизации двуханодного стабилитрона, т.е. в зависимости от состояния схемы.

За счет ПОС напряжение на выходе цепи обратной связи или .

а б

Рис. 10.10. Схема мультивибратора на ОУ (а) и временные диаграммы его работы (б)

Конденсатор С заряжается по цепи до напряжения . При начинается быстрый (за счет ПОС) процесс опрокидывания схемы. В результате конденсатор С начинает разряжаться до напряжения . При схема за счет ПОС возвращается в исходное состояние. Период колебаний может быть определен по формуле .

Ждущий мультивибратор

Ждущий мультивибратор (одновибратор) – схема, формирующая на выходе импульс заданной длительности при подаче на вход импульса запуска.

Рис. 10.11. Схема ждущего мультивибратора (а) и временные диаграммы его работы (б)

Рис. 10.12. Схема ждущего мультивибратора на основе компаратора (а) и временные диаграммы его работы (б)

Фактически это разновидность триггера, в котором выход одного из вентилей имеет емкостную связь со входом другого вентиля, в результате чего схема всегда возвращается в одно состояние. Одновибраторы срабатывают по положительному или отрицательному перепаду.

Автогенераторы типа LC

Простейший автогенератор с индуктивной связью (рис. 4.13, а) представляет собой однокаскадный усилитель на транзисторе VT, включенном по схеме с общим эмиттером, с нагрузкой в виде параллельного колебательного контура LкCк и цепи обратной

связи, созданной обмоткой L_Б, индуктивно связанной с индуктивным элементом Lк контура. Усилитель выполнен по схеме с фиксированным напряжением смещения делителем RБ1 и RБ2 и термостабилизирующей

R_ЭC_Э цепью.

На вход усилителя через конденсатор CБ, ёмкостное сопротивление которого на частоте генерации незначительно, поступает сигнал обратной связи, представленный ЭДС базовой обмотки LБ. Коллекторный ток, появившийся в момент включения источника питания Un, заряжает конденсатор Cк, который затем разряжаясь на индуктивный элемент Lк, создает в контуре колебания с резонансной частотой

Эти колебания напряжения посредством индуктивной связи передаются на базу транзистора VT, вызывая колебания напряжения uвх на входе усилителя и пульсации тока коллектора, которые, подпитывая LкCк контур, восполняют активные потери энергии в нем. Чтобы колебания были незатухающими, нужно выполнить два условия самовозбуждения.

Анализ электрического состояния усилителя показывает, что баланс фаз удовлетворяется, если амплитуда напряжения на контуре Um.p равна и противоположна по фазе амплитуде выходного напряжения Um.вых. Это возможно, если обмотка Lк включена таким образом, что фаза индуктируемой в ней ЭДС находится в противофазе с напряжением контура u_P, а напряжение uвых в однокаскадном усилителе, как известно, противофазно напряжению uвх. Очевидно, что фазы uвх и uвых сдвинуты на 180° + 180° = 360°.

Второе условие самовозбуждения — баланс амплитуд — сводится к тому, чтобы коэффициент усиления был больше или равен 1/b, т. е. Ku > 1/β.

Процесс возникновения, нарастания и установления колебательного режима удобно пояснить с помощью графика (рис. 4.13, б), где нанесены:

Ku =uвых/uвх — амплитудная характеристика собственно усилителя и

1/β=uвых /uвх.ос — прямая, характеризующая обратную связь.

Условию Ku > 1/ β на графике соответствует расположение кривой Кu над прямой 1/ β на участке 0а.

Пусть наличие колебания uвх1 вызвало на выходе (в соответствии с кривой Ku) колебание uвых1, которое через ПОС создает на входе возросшее колебание uвых2, что вызовет дальнейшее увеличение выходного напряжения до тех пор, пока не будет достигнута точка a (см. рис. 4.13, б), в которой Ku = 1/ β или Kuβ = 1. В точке а переходный процесс заканчивается и устанавливается стационарный режим гармонических колебаний.