ответы по ОЭиЭ

1. Физическая сущность электрического тока и напряжения. Единицы и приборы их измерения.

Под действием продольного электрического поля напряженностью ε, создаваемого в проводнике источником электрической энергии, свободные электроны приобретают добавочную скорость (дрейфовую скорость) и дополнительно перемещаются в одном направлении. Таким образом, постоянный ток в металлах представляет собой сравнительно медленное дрейфовое движение сво­бодных электронов, накладывающееся на их беспорядочное тепловое движение, происходящее с относительно большой скоростью. В общем случае постоянный ток в проводящей среде представляет собой упо­рядоченное движение положительных и отрицательных зарядов под действием электрического поля, например в электролитах и газах движутся навстречу друг другу ионы с положительными и отрицатель­ными зарядами.

Так как направления движения положительных и отрицательных зарядов противоположны, то необходимо договориться о том, движение каких зарядов следует считать направлением тока. В настоящее время принято считать направлением тока направление движения положи­тельных зарядов.

Постоянный ток I= Q/t, где t — время равномерного перемеще­ния суммарного положительного заряда Q через поперечное сечение рассматриваемого участка электрической цепи.

Основной единицей измерения тока в Международной системе единиц СИ является ампер (А).

При постоянном токе 1 А в двух параллельных прямолинейных проводниках бесконечной длины и ничтожно малой площади попе­речного кругового сечения, расположенных на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, сила их взаимодействия равна 2-10^-7 Н/м (ньютона на метр). Измеряется амперметром.

Напряжением называется скалярная величина, равная линей­ному интегралу напряженности электрического поля. Разность по­тенциалов — напряжение в безвихревом электрическом поле, в ко­тором напряжение не зависит от пути интегрирования. (Электриче­ское поле цепи постоянного тока—безвихревое.)

Постоянное напряжение для участка проводника U==φ_a-φ_b или U=(1/q)=A/q,

где F = qe — сила, действующая на положительный заряд в однородном постоянном электрическом поле с напряженностьюε; А = — работа электрического поля при перемещении положительного заряда вдоль участка проводника; φ_а и φ₆ — потенциалы однородного постоянного электрического поля в поперечных сечениях а и b участка проводника. Основной единицей измерения напряжения в системе СИ служит

вольт (В). Это напряжение между концами проводника, в котором при перемещении положительного заряда 1 кулон (Кл) совершается работа 1 джоуль (Дж). Измеряется вольтметром.

2. Последовательное соединение резисторов. Пример

I R1 R2 R3

U

R6 R5 R4

I= I1=I2=I3=I4=I5=I6, U=U1+U2+U3+U4+U5+U6

R=R1+R2+R3+R4+R5+R6

3. Законы Кирхгофа

Первый закон Кирхгофа применяется к узлам электрических цепей:

в ветвях, образующих узел электрической цепи, алгебраическая сумма токов равна нулю:

∑ I = 0

В эту сумму токи входят с разными знаками в зависимости от направления их по отношению к узлу. На основании первого закона Кирхгофа для каждого узла можно составить уравнение токов. Токи, направленные к узлу, условно взяты положительными, а токи, направленные от узла, - отрицательные.

Второй закон Кирхгофа применяется к контурам электрических цепей:

в контуре электрической цепи алгебраическая сумма напряжений на его ветвях равна нулю:

∑ U = 0

Напряжение, направленное по обходу контура, считается положительным, а направленное против контура – отрицательным.

Другая формулировка второго закона Кирхгофа:

в контуре электрической цепи алгебраическая сумма падений напряжения в пассивных элементах равна алгебраической сумме ЭДС этого контура:

∑ I R = ∑ E

ЭДС считается положительным если совпадает с направлением обхода.

4. Параллельное соединение резисторов. Пример

I I1 I2 I3

U R1 R2 R3

U1=U2=U3

I=I1+I2+I3

1 / R=1 / (R1+R2+R3)

G=G1+G2+G3 – проводимость

5. Закон Ома для участка цепи, для всей цепи.

Для участка цепи: сила тока прямо пропорциональна напряжению на данном участке. Этот закон выполняется для металлических проводников и электролитов. Коэффициент пропорциональности записывается в виде: 1/R, т.е. I=U/R

Для полной (замкнутой) электрической цепи, состоящей из источника тока с ЭДС и внутреннего сопротивления r и внешнего сопротивления R. I=E/(r+R)

Напряжение на внешней цепи U=I*R=E-Ir<E

Разомкнутая цепь R->, I -> 0, U->E

Короткое замыкание: R->0, I->I_max,U->0

I

R

6. Метод контурных токов. Пример.

МКТ – метод контурных токов.

R4

R1 R2 I(k2)

E3

E2 R5

I(k1) I(k3)

E1 R3

1. Задаемся направлениями контурных токов и делаем обход в этом направлении, не обращая внимание на направление токов, убеждаемся что:

а) токи внешних цепей соответствуют контурным токам

I1=I(k1), I4=I(k2), I3=I(k3)

б) токи смежных ветвей:

I2=I(k1) – I(k2)

I5=I(k2) – I(k3)

2. Составляем уравнение по количеству контуров, используя второй закон Кирхгофа.

1 контур E1 – E2 = I(k1) (R1+R2) – I(k2)R2

2 контур E2 = I(k2)(R2+R4+R5) – I(k1)R2 – I(k3)R5

3 контур E3 = I(k3)(R3+R5) – I(k2)R5

Имеем систему уравнений.

Определив значение общего определителя и частных. Путем деления частных на общих получим токи соответственно. По пунктам а) и б) определим токи каждой ветви.

7. Электрическое поле. Закон Кулона. Величины, характеризующие электрическое поле.

Электростатическое (кулоновское) поле создается заряженными телами, а переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле.

На заряд в электрическом поле действует сила, величина которой прямо пропорциональна величине заряда . Поэтому отношение F/q не зависит от величины заряда q. Эта величина является силовой характеристикой поля и называется напряженностью электрического поля: E=F/q.

Принцип суперпозиций электрических полей: Напряженность электрического поля системы зарядов равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых каждым из зарядов: E=E1+E2+….

Закон Кулона: Сила электростатического взаимодействия между точечными зарядами прямо пропорциональна произведению величин зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

В вакууме: F=k

В однородном диэлектрике (газе или жидкости) F=

8. Энергетический баланс электрической цепи. КПД.

В любой электрической цепи должен соблюдаться энергетический баланс — баланс мощностей: алгебраическая сумма мощнос­тей всех источников энергии (в частности источников тока и ис­точников ЭДС или напряжения) равна арифметической сумме мощнос­тей всех приемников энергии (в частности резистивных элементов):

ΣU_истI_ист= Σr или ΣP_ист = ΣP_г. (1.11)

При учете внутренних сопротивлений г_вт источников мощность каждого источника U_истI_ист„ меньше развиваемой источником мощности EI_ИСТ на мощность потерь г_вр.

Мощность источника следует считать положительной и записывать в уравнении баланса мощностей (1.11) со знаком плюс, если положи­тельное направление тока I_ист совпадает о направлением действия ЭДС. В противном случае эту мощность следует считать отрицательной и записывать со знаком минув (например, для заряжаемого аккуму­лятора).

В качестве примера составим баланс мощностей для электрической цепи по рис. 1.13, учитывая, что все источники идеальные, т. е. U_ист=E

E₁I₁ + E₂I₂ + E₃I₃ =r₁ +r₂+ r₃ + r₄\+ r₅ + r₆

Заметим, что идеальные источники ЭДС и тока могут развивать бес­конечно большую мощность. Действительно, подключим к каждому источнику приемник о сопротивлением нагрузки г_н. В первом слу­чае, если r_н -> 0, ток I -> оо и, следовательно, мощность Р = EI -> оо, а во втором случае, если г_н -> оо. напряжение U->оо и мощность Р = UI -> оо.

9. Магнитное поле. Закон полного тока. Величины, характеризующие магнитное поле.

Магнитное поле окружает движущиеся элементарные частицы, обладающие электрическим зарядом, и связано с ними. Магнитное поле характеризуется воздействием на движущеюся электрически заряженную частицу с силой, пропорциональной заряду частицы и ее скорости.

Закон полного тока:

циркуляция вектора напряженности магнитного поля по замкнутому контуру равна полному току, пронизывающему поверхность, ограниченную этим контуром.

∫ H_l d l = ∑ I

Когда напряженность магнитного поля имеет одинаковую величину по всему контуру, а выбранный контур совпадает с линией магнитной индукции то:

H l = ∑ I

а для катушек:

H l = I N

Если контур содержит несколько участков с различными величинами напряженности поля (H1, H2,…, H_n), но пределах каждого участка напряженность не меняется, то:

∑ H_n l_n = ∑ I_n N_n

Где n – номер участка контура.

10. Основные параметры синусоидальной ЭДС, напряжения и тока.

В линейной цепи при действии синусоидально изменяющейся ЭДС напряжения и токи также синусоидальные:

u = U_msin(ωt + φ_и); i = I_msin(ωt + φ_i); где ω— угловая частота; φ_и и φ_i - — начальные фазы напряжения и тока; U_m и 1_т — максимальные значения (амплитуды) напряжения и тока.

Средним значением синусоидальной величины (ЭДС, тока, напря­жения) считают ее среднее значение за положительный полупериод, совпадающее со средним значением по модулю. Например, для тока вычислим среднее значение, выбрав -начальную фазу равной нулю:

I_ср=(2/T)=

Аналогично для ЭДС и напряжения

E_cp = 2E/π; U_cp = 2U_m/π

Синусоидальный ток в резистивном элементе с сопротивлением г вызывает нагрев этого элемента из-за выделения тепловой энергии. Такую же тепловую энергию в этом же резистивном элементе можно получить при некотором постоянном токе. Определенное посредством такого сравнения значение постоянного тока называется действующим начением соответствующего синусоидального тока. Например, если синусоидальный ток нагревает некоторый резистивный элемент так же, как его нагрел бы постоянный ток 5 А, то действующее значение сину­соидального тока равно 5 А.

Согласно определению действующего значения синусоидального тока такое же количество тепловой энергии в том же резистивном элементе должно выделяться при постоян­ном токе за тот же интервал времени Т:

Q_теп = rI²T.

Следовательно, I=

Таким образом, действующее значение синусоидального тока опре­деляется как среднее квадратичное за период. На рис. 2.9 показаны синусоидальный ток i, изменение во времени квадрата тока i² и графическое определение значения I², а тем самым и действующего значения I.

Действующее значение синусоидального тока меньше его амплитуды в раз.

Аналогично определяется действующее значение синусоидального напряжения. Тепловая энергия, выделяемая в резистивном элементе

с проводимостью g = 1/r за время T при постоянном напряжении,

Q_теп= gU²T, при синусоидальном напряжении

Q_теп=

На основании сопоставления этих двух выражений определяется действующее значение синусоидального напряжения:

U = U_m/. Аналогично для любой другой синусоидальной величины (ЭДС, магнитного потока, заряда и т. д.) действующее значение

A = Am/

Действующее значение выбрано в качестве основной характерис­тики синусоидального тока потому, что в большом числе случаев дей­ствие тока пропорционально квадрату этого значения, например тепло­вое действие и сила взаимодействия прямого и обратного проводов двухпроводной линии. Электроизмерительные приборы ряда систем (тепловые, электродинамические, электромагнитные и электростати­ческие) пригодны для измерения как постоянного, так и синусоидаль­ного токов; проградуированные при постоянном токе и включенные в цепь синусоидального тока, они показывают действующее значение последнего.

11. Представление синусоидальных величин комплексными числами. Три формы записи комплексных значений синусоидальных величин.

Jm

a1 Am (I,U,E)

0 a2 Rc

Мнимая ось Jm и действительная ось Rc, располагаем вектор совмещая точку Am (конец вектора) под углом, расположенном на декартовой плоскости. Тогда конец вектора Am изображаем в виде комплексных элементов.

A=Am / (√2)

Три формы записи:

- Алгебраическая

A= a1 + ja2

A=√(a1)² + (a2)² α=A cos ψ, ψ=arctg (a2 / a1)

Испульзуем этот метод при суммировании и вычитании чисел

- Тригонометрическая

Проекция вектора выражается через его длину и угол

A=A cos φ + j A cos φ= A(cos φ + jsin φ)

- Показательная

A=A*e^j φ

e^j φ= cos φ + jsin φ

где е-слагаемое натурального логарифма

Такую форму применяют при умножении и делении

A-модуль комплексного числа (Am или A)

Φ-аргумент (нач. фаза)

12. Физическая сущность и анализ цепи переменного синусоидального тока с активным сопротивлением.

i

e u r > R

Омническое сопротивление (т.е. сопротивление постоянного тока). Сопротивление r обусловлено омническим сопротивлением и поверхностным эффектом (магнитное поле).

Изменяющийся ток создает переменное магнитное поле, которое пересекает поверхность проводника индуктируя в нем ЭДС самоиндукции l_L = ΔФ / Δ t (закон Ленца) Причем активное сечение проводника уменьшается, увеличивается сопротивление, поэтому r > R. Это обусловлено явлением поверхностного эффекта. Сопротивление соответствует направлению тока. С увеличением напряжения, пропорционально возрастает ток. Начальная фаза тока и напряжения совпадает (равна 0).

13. Физическая сущность и анализ цепи переменного синусоидального тока с индуктивностью.

При протекании тока по веткам в которых создается магнитное поле (направление определяется правилом правой руки), которое обладает параметрами магнитного поля напряженность:

H = Iw / l

Магнитная индукция:

B = μ H ((μ W) / l) I

μ – магнитная проницаемость среды

Магнитный поток:

Ф = B S

Потокосцепление:

Ψ = W Ф = L I = I (μ W² S)/ l

W – число витков

S – сечение катушки

l – длина

L = ψ / I = (μ W² S) / l

коэффициент самоиндукции характеризующий способность изменяющегося поля создавать в ней ЭДС. Напряжение опережает ток на 90 град.

14. Физическая сущность и анализ цепи переменного синусоидального тока с емкостью.

Конденсатор в процессе протекания тока на обкладках заряжается до напряжения источника, которое препятствует протеканию тока. Ток в процессе заряда уменьшается

С=q / u

Чем больше емкость тем больше зарядов на обкладке: u – препятствует протеканию тока.

q = C u – пропорционально приложенному напряжению.

С = (Ea S) / d

Где Еа – абсолютная проницаемость среды.

Еа = Еr Ео

Где Еr – относительная проницаемость, Ео – проницаемость вакуума.

Xc = 1 / (ω C)

Ток опережает напряжение на 90 град

15. Активная, реактивная и полная мощности цепей переменного тока. Коэффициент мощности

В общем случае пассивный двухполюсник можно представить эквивалентной схемой замещения в виде последо­вательного соединения двух элементов: с активным сопротивлением г и реактивным сопротивлением х. Элемент с активным сопротивлением — это резистивный элемент с сопротивлением г, а элемент с реактивным сопротивлением — это индуктивный элемент с индуктивным сопро­тивлением X_L= ωL = х, если х > 0, или емкостный элемент с ем­костным сопротивлением х_с = 1/ωС = |х|, если х<0.

Определим мгновенную мощность пассивного двухполюсника, равную мгновенной мощности источника ЭДС при напряжении и токе:

u = U_msin(ωt+ψ_u)

i = I_msin(ωt+ψ_i),

Мгновенная мощность

p = ui = U_mI_m sin (ωt+ψ_u) sin (ωt+ψ_i) = [cos (ψ_u - ψ_i) + cos (ωt + ψ_u + ψ_i)]

. Часть электрической энергии источника поступает в двухполюсник и преобразуется в другие формы энергии. Другой частью энергии источник и двухполюсник периодически обменива­ются.Cредняя мощность пассивного двухполюсника за период (равная средней мощности источника)

Р = dt = UI cos (ψ_u - ψ_i) = UIcos φ, (2.55);так как среднее значение за период косинусоиды двойной частоты равно нулю.

Угол сдвига фаз между напряжением и током φ = ψ_u - ψ_i- зави­сит от параметров г и х элементов эквивалентной схемы замещения пас­сивного двухполюсника.

Выражение (2.55) определяет активную мощность двухполюсника и источника, которая зависит от действующих значений напряжения и тока, а также от cos φ — коэффициента мощности. Отметим, что ак­тивная мощность пассивного двухполюсника всегда положительна и не зависит от знака угла φ (напомним, что | φ | <=1,57). Она определяет энергетический режим пассивного двухполюсника в целом, т. е. среднюю скорость необратимого преобразования энергии во всех резистивных элементах пассивного двухполюсника.

Активная мощность двухполюсника измеряется ваттметром. У ватт­метра две измерительные цепи, одна из которых включается последо­вательно с двухполюсником, т. е. ток в этой цепи равен току двух­полюсника, а вторая — параллельно с двухполюсником (на его вы­воды), т. е. напряжение на этой цепи равно напряжению U двухпо­люсника. Чтобы учесть знак угла сдвига фаз φ между напряжением и током двухполюсника, измерительные цепи должны быть включены аналогично относительно положительных направлений тока и напря­жения. Поэтому один из выводов каждой измерительной цепи имеет отличительное обозначение (звездочка на рис. 2.31, б).

Из треугольников сопротивлений и треугольников напряжений пассивного двухполюсника следует, что коэф­фициент мощности cos φ = r/z = U_a/U.

После замены cos φ в (2.55) получим другие выражения для актив­ной мощности пассивного двухполюсника:

P=U_aI (2.56)

Произведение действующих значений напряжения между выводами источника U = Е и тока источника / в (2.55) определяет полную мощ­ность источника, равную полной мощности пассивного двухполюсника:

S = UI = EI = zI². (2.57)

Для анализа энергетических процессов в цепи при неполном ис­пользовании энергетических возможностей источника вводится поня­тие о реактивной мощности источника, равной реактивной мощности пассивного двухполюсника (рис. 2.28): Q = EI sin φ = UI sin φ = Ul sin (ψ_u - ψ_i).

С введением реактивной мощности можно правильно отобразить сово­купность физических процессов, происходящих во всех индуктивных и емкостных элементах пассивного двухполюсника.

Реактивная мощность пассивного двухполюсника может быть по­ложительной и отрицательной в зависимости, от знака угла ф. При ин­дуктивном характере входного сопротивления двухполюсника (φ> 0) реактивная мощность положительна, а при емкостном характере (φ < 0) отрицательна.

Cвязь активной, реактивной и полной мощностей пассивного двухполюс­ника: S² =U²I² = (UIcos φ)^г + (Ul sin φ)² = Р^г + Q².

16. Индуктивный характер цепи синусоидального тока с последовательным соединением RLC – элементов.

Условие:

X_L > Xc

I = U / Zp_L (I и U вверху с точками)

Z_L = r + j Xp

Признак: I < Imax

Следствие: U_L > Uc

Uc U_L

U U jUp

φ φ

Ua I Ucp

φ > 0

Цепь носит индуктивный характер:

U (в вверху с точкой) = U cos φ + U sin φ

U = √Ua² + (U_L - Uc)² = √ Ua² + (+Up)²

φ = arctgn ((U_L - Uc) / Ua)

17. Емкостной характер цепи синусоидального тока с последовательным соединением RLC – элементов.

Условие:

X_L < Xc

I = U / (-Zpc) (I и U вверху с точками)

Zc = r - j Xp

Признак: I < Imax (I с точками сверху)

Следствие: U_L < Uc

Ua Uc U_L - φ Uл

I -jUp

-φ U

U

φ < 0

Цепь носит емкостной характер:

U (в вверху с точкой) = U cos φ + U sin

U² = √ Ua² + (-Up)²

- φ = arctgn ((U_L - Uc) / Ua)

18. Цепь синусоидального тока с последовательным соединением RLC – элементов: резонанс напряжений и способы его достижения.

Условие:

X_L = Xc

I = U / Zr (I и U вверху с точками)

Zc = r - j (X_L- Xc)= r

I=U/r=max (I и U сверху с точками)

Ограничение тока активным сопротивлением

U_L=Uc и U = Ua

Максимальны (резонанс напряжений)

Uc U_L

φ=0 Ua

активный характер

U = Ua

U = √Ua² + (U_L - Uc)²= Ua

Резонанс напряжений возможен в неразветвленной цепи с индуктивным L, емкостным С и резистивным г элементами, т. е. в последова­тельном колебательном контуре.

По закону Ома комплексное значение тока в контуре i=I==

где Z - комплексное сопротивление контура;z - полное сопротивление контура;

— угол сдвига фаз между напряжением и током, т. е. аргумент комплексного сопро­тивления;

I - действующее значение тока.

Если угловая частота со напряжения и тока равна l/, то индуктивное и емкостное сопротивления элементов одинаковы. При этом аргумент φ комплексного сопротивления контура равен нулю, , полное сопротив­ление цепи минимальное: г = z и действующее значение тока при заданном напря­жении наибольшее: I= U/r.

Режим неразветвленной цепи, содержащей индуктивный, емкостный и резистивный элементы последовательного контура,ток и напряжение совпадают по фазе, называется резонансом напряжений.

При резонансе напряжений действующие значения, а значит и амплитуды, напряжений на индуктивном й емкостном элементах одинаковы, а фазы противо­положны. Поэтому напряжение источника U равно напряжению на резистивном элементе.

Угловая частота, при которой наблюдается резонанс напряжений, называется резонансной:

Если сопротивление т резистивного элемента мало, то при резонансе напря­жений ток. в цепи резко возрастает по сравнению со значениями тока при частоте, отличной от ω_рез. Одновременно, что особенно существенно, напряжения на емкост­ном и индуктивном элементах могут (и во много раз) превысить напряжение пита­ния U.

Подставив значение ω_рез в последнее неравенство, получим условие превыше­ния в виде >r

Величина ρ = = co_pe3L имеет размерность сопротивления и называется характеристическим сопротивлением колебательного контура. Отно­шение характеристического сопротивления к сопротивлению резистивного элемента определяет резонансные свойства колебательного контура и называется доброт­ностью контура:

Q=ρ/r.

Добротность контура равна отношению (при резонансе) реактивной мощности индуктивного Q_L или емкостного Q_c элемента к активной мощности резистивного элемента. Физическая причина возникновения повышенных напряжений — это колеба­ния значительной энергии, запасаемой попеременно в электрическом поле емкост­ного и в магнитном поле индуктивного элементов. Формально аналогичные коле­бания энергии могут быть и в механической системе, обладающей массой и упру­гостью. Простейшим примером служит ядро, подвешенное на пружинах. В механической колебательной системе энергия периодически переходит из кине­тической (энергия движущегося тела) в потенциальную (энергия сил упругости) и обратно. Если в системе не слишком велики силы трения, то для поддержания ее незатухающих периодических колебаний достаточно добавлять периодически в такт с ее колебаниями небольшие количества энергии для покрытия потерь энер­гии в системе из-за трения. При этом сила толчков извне может быть во много раз меньше сил инерции и упругости, действующих внутри системы. Следовательно, энергия, поступающая извне для покрытия Потерь, тоже может быть мала по срав­нению с энергией колебаний.

19. Индуктивный характер цепи синусоидального тока с параллельным соединением RLC – элементов.

При уменьшении f, L,C

X_L < Xc

Y_L > Yc

I_L > Ic

Индуктивный

I(a1) I1

I2 I(a2)

-φ +φ

I2(C) I1(L)

I > Imin

Энергия индуктивной ветви, больше энергии на конденсаторе, выходит за пределы контура, т.е. ток общей цепи возрастает:

(W I²) / 2 > (W U²) / 2

20. Емкостной характер цепи синусоидального тока с параллельным соединением RLC – элементов.

При увеличении f, L,C

X_L > Xc

Y_L < Yc

I_L < Ic

Емкостной

I(a1) I1

I2 I(a2)

-φ +φ

Iр2(L) Iр1(С)

Энергия емкости больше энергии катушки, выходит за пределы контура, т.е. ток общей цепи возрастает:

(W I²) / 2 < (W U²) / 2

21. Цепь переменного тока с параллельным соединением RLC – элементов: резонанс токов и способы его достижения.

I(a1) Ua1 I1

I2 I(a2)

Ua2

φ φ

Iр(L) Iр(С)

X_L = Xc

Имеем:

b_L = bc (проводимость)

I_L= Ic= I1p = I2p – max

Признак:

(W I²) / 2 = (W U²) / 2

Колеблется внутри контура (в идеале) не выходя за пределы, а так как r = 0 никуда не расходуется. Ток в общей цепи равен нулю (0), а в реальном контуре расходуется энергия на активном сопротивлении и расходуемая часть пополняется источником I стремится к нулю – min.

Свойство: имеем резонанс токов.

Имеем резонанс токов с переводом цепи в индуктивный или емкостной режимы.

В цепи, схема которой содержит параллельно соединенные индуктивный, емкостный и резистивный элементы, т. е. параллельный контур может возникнуть резонанс токов.

При заданном напряжении питания общий ток

i=Y =— комплексная проводимость параллельного контура; где Y - полная проводимость контура.

При угловой частоте ω_рез = l/ индуктивная b_L == 1/ωL и емкостная Ь_c = С проводимости параллельных ветвей одинаковые, аргумент комплексной проводимости цепи – φ равен нулю, полная проводимость контура минимальна: у = g и общий ток минимальный: I_рез = gU.

Режим параллельного контура, при котором сдвиг фаз между напряжением и общим током равен нулю, называется резонансом токов.

При резонансе действующие значения токов в индуктивном и емкостном эле­ментах одинаковые, а сдвиг фаз между токами равен π, так как ток в индуктивном элементе отстает от напряжения по фазе на угол л/2, а ток в емкостном элементе опережает напряжение на такой же угол π/2).

На рис. 2.49 показаны резонансные кривые параллельного контура. В емкост­ном элементе ток I_с возрастает пропорционально угловой частоте, в индук­тивном элементе ток l_L обратно пропорционален угловой частоте, в резистивном элементе ток l_r — U/r от угловой частоты не зависит. Точка пересечения кривых /_с(ω) и J_L (ω) соответствует резонансу токов, при котором I=I_r.

Если проводимость g резистивного элемента равна нулю, то и полная проводимость у цепи при резонансе равна нулю и общий ток иде­ального параллельного контура (ток источника) равен нулю, что эквивалентно размыканию цепи.

Последовательно с индуктивным элементом L может быть включен резистивный элемент r_L, а последовательно с емкостным элементом С — резистивный элемент г_с учитывающие, например, потери энергии в проводах. Условием резонанса токов в такой цепи будет равенство индуктивной и емкостной проводимостей этих ветвей.

И в этом случае при резонансе общий ток совпадает по фазе с напряжением. Отметим, что резонанс токов в отличие от резонанса напряжений — явление безопасное для электроэнергетических установок. Большие токи в ветвях при ре­зонансе токов возникают лишь в случае больших реактивных проводимостях ветвей, т. е. больших емкостей конденсаторов и малых индуктивностей катушек. Ничего неожиданного здесь нет, так как токи в обеих ветвях взаимно независимы и их зна­чения определяются (на основании закона Ома) приложенным напряжением.

22.Цепь синусоидального тока с последовательным включением R и C элементов.

При последовательном соединении элементов с R и С (Рис. 2.22а) имеем:

На рис. 2.22б построена векторная диаграмма для такой цепи. Ток в нем опережает напряжение на угол φ.

24. Система соединения “треугольнииком”. Линейные и фазные напряжения и токи. Симметричная и несимметричная нагрузки.

У трехфазной системы, выполненной по схеме треугольник (услов­ное обозначениеΔ), нулевой провод отсутствует. Покажем сна­чала, как можно получить такую трехфазную цепь из необъединенной системы (рис. 3.7, а), в которой три фазные обмотки генератора соеди­нены шестью проводами с тремя приемниками. Для получения из фаз­ных обмоток генератора схемы треугольник (рис. 3.7, б) соединим ко­нец X первой обмотки с началом В второй обмотки, конец Y второй обмотки с началом С третьей обмотки и конец Z третьей обмотки с на­чалом А первой обмотки. Так как алгебраическая сумма синусоидаль­ных фазных ЭДС генератора равна нулю, то никакого дополни­тельного (уравнительного) тока в обмотках генератора не возникнет.

После объединения обмоток генератора напряжения между началом и концом каждой фазы не изменятся, т. е. эти фазные напряжения оди­наковы для несвязанной (рис. 3.7, а) и связанной (рис. 3.7, б) систем. Поэтому и токи в фазах приемника, т. е. фазные токи, /^в. /во /сл в связанной системе такие же, как в несвязанной. Токи в каждом из трех объединенных линейных проводов, т. е. линейные токи, равны разностям соответствующих фазных токов (первый закон Кирхгофа для узлов приемника):

I_A=I_AB+I_CA, I_B=I_BC-I_AB,I_c=I_CA-I_BC.

Линейные напряжения равны соответствующим фазным напряже­ниям, их комплексные значения:

U_АВ = Ё_А; U_ВС = Ё_В, U_CA = E_C. (3.11) По закону Ома комплексные значения фазных токов: Iав = Ea/Zab,

Ibc = Ёв/Zвс,Ica=Ec/Zca, . (3.12)

причем у симметричного приемника

Z_AB = Z_BC = Z_CA = Z_ф = z_фe^fφ (3.13)

и у всех фазных токов одинаковые действующие значения I_ф и одина­ковые сдвиги фаз φ относительно соответствующих ЭДС или фазных напряжений.

Векторная диаграмма напряжений и токов показана на рис. 3.8. Из треугольников токов следует, что в симметричной трехфазной си­стеме для действующих значений линейных и фазных токов справед­ливо соотношение

I_д = 2I_ф cos30° = I_ф. (3-14)

Как следует из (3.11), действующие значения линейных и фазных напряжений равны друг другу и при несимметричном приемнике:

U_Л=U_ф. (3.15)

Преимущество Преимуществом соединения источника энергии и приемника по схеме треугольник по сравнению с соединением по схеме звезда без нулевого провода является взаимная независимость фазных то­ков.

25. Система соединения “звездой” с нулевым проводом и ее свойства. Понятие о фазных и линейных напряжениях т токах.

Фазные обмотки трехфазного генератора можно соединить с тремя приемниками энергии шестью проводами (рис. 3.3) и получить три неза­висимые фазные цепи. Необъединенная трехфазная система практи­чески не применяется, но она важна для уяснения соотношений после объединения фазных цепей. Обратим внимание на стрелки, указываю­щие положительные направления фазных ЭДС. Эти положительные направления определяют «начала» (А, В, С) и «концы» (X, У, Z) фаз­ных обмоток генератора.

У источника энергии и приемника, выполненных по схеме звезда (условное обозначение Y), все концы фазных обмоток генератора сое­диняются в общий узел N (рис. 3.4); такой же узел п образует соединение трех фаз приемника, а три обратных провода фаз системы объ­единяются в один общий нулевой провод. Остальные три провода, соединяющие генератор с приемником, называются линейными. Узел, который образуют обмотки фаз генератора или фазы приемника, называется нейтралью или нейтральной точкой.

Пренебрегая сопротивлениями всех проводов, легко определить токи трех фаз приемника и генератора:

I_A = E_A/Z_A, I_B = E_B/Z_B, I_c = E_c/Z_c (3.4)

и ток в нулевом проводе

In = Ia + Ib + Ic (3.5)

Приемник с одинаковыми сопротивлениями всех трех фаз

Z_A = Z_B = Z_c = Z_ф = z_фe^{f φ} называется симметричным. При симметричном приемнике у токов всех фаз одинаковые действующие значения I_ф и одинаковые сдвиги фаз φ относительно соответствующих фазных ЭДС (рис. 3.5) , ток в нулевом проводе (3.5) равен нулю. Поэтому в случае симметрического при­емника, или, как говорят, при симметричной нагрузке генератора, нейтральный провод не нужен и не прокладывается. Примером такого приемника является трехфазный двигатель с соединением трехфаз­ных обмоток по схеме звезда. В трехфазной системе напряжения U_А, U _в, U_c между выводами каждой фазной обмотки генератора или каждой фазы приемника назы­ваются фазными напряжениями.

У симметричной трехфазной системы действующие значения фаз­ных напряжений одинаковы: U_A = U_B=U_C =U_ф

Фазными токами называются токи в фазных обмотках генератора или в фазах приемника. Напряжения между линейными проводами. называются линейными и линейными называются токи в линейных проводах.

Запишем уравнения по второму закону Кирхгофа для контура, обозначенного на рис. 3.4 пунктиром, и двух других аналогичных кон­туров и учтем, что

Ёа = Uа, Ё_в = U_в, Ё_с = U _с. (3.6)

При наличии нулевого провода (рис. 3.4) условия (3.6) выпол­няются как при симметричном, так и при несимметричном приемнике, а при отсутствии нейтрального провода — только при симметричном. В обоих случаях векторы комплексных значений фазных и линейных напряжений образуют три одинаковых равнобедренных треугольника с углами 30° при основании. Из треугольников напряжений следует, что между действующими значениями линейных и фазных напряже­ний справедливо соотношение

U_л = 2Uфcos 30° = Uф. (3.8)

Например, линейное напряжение Uл = 380 В, а фазное U_ф = 220 В или линейное Uл = 220 В, а фазное U_ф = 127В.

При соединении источника энергии и приемника по схеме звезда линейные токи равны соответствующим фазным токам. В случае сим­метричного приемника действующие значения всех линейных и фазных токов одинаковые: I_л =I_ф.

26. Явление взаимоиндукции. Устройство и принцип работы трансформатора.

Трансформатором называется устройство, предназначенное для преобразования одного переменного напряжения в другое или другие напряжения той же частоты.

На рис. 8.5, а приведена принципиальная конструкция однофаз­ного трансформатора. Со стороны вторичной обмотки, содержащей ω₂ витков, т. е. для приемника с сопротивлением нагрузки г_2н, транс­форматор является источником электроэнергии, а со стороны первич­ной обмотки, содержащей ω₁ витков, — потребителем энергии.

Рассмотрим принцип действия однофазного трансформатора. Пред­положим сначала, что цепь вторичной обмотки трансформатора ра­зомкнута и при действии источника напряжения и₁ = е ток в первич­ной обмотке равен i₁. Магнитодвижущая сила возбуждает в магнитопроводе магнитный поток, положительное направление которого определяется правилом буравчика (см. рис. 2.1, а). Этот магнитный поток индуктирует в первичной обмотке ЭДС самоиндукции e_Ll (на рисунке не показана) и во вторичной обмотке ЭДС взаимной индукции е_М2 (на рисунке не показана). После замыкания цепи вторичной об­мотки под действием ЭДС взаимной индукции е_М2 в приемнике с сопро­тивлением нагрузки г_2а возникнет ток I₂.

Для указанных на рис. 8.5 направлений навивки первичной и вто­ричной обмоток и выбранных положительных направлениях токов i₁ и i₂ МДС i₂ω₂ возбуждает в магнитопроводе поток, направленный навстречу магнитному потоку от действия МДС i₁ω₁. Поэтому суммарная МДС первичной и вторичной обмоток равна i_xw_x — i₂w₂. Эта МДС возбуждает в магнито­проводе общий магнитный поток Ф. Кроме того, при анализе работы трансформатора нужно учесть потокосцепления рассеяния первичной ψ_pac1 и вторичной ψ_рлс2 обмоток, которые пропорциональны соответ­ственно токам i_x и i₂.

На рис. 8.5, б показана схема замещения трансформатора с актив­ными сопротивлениями первичной r₁ и вторичной r₂ обмоток.

Трансформатор, первичная и вторичная обмотки которого не имеют активных сопротивлений и потокосцеплений рассеяния, называется идеализированным трансформатором. На рис. 8.5, б идеализирован­ный трансформатор выделен штриховой линией..

27. Устройство и принцип действия асинхронного двигателя (АД).

Асин­хронная машина — это машина, в которой при работе возбуждается вращающееся магнитное поле, но ротор вращается асинхронно, т. е. с угловой скоростью, отличной от угловой скорости поля.

Трехфазная асинхронная машина состоит из двух главных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора.

Конструкция статора. Статор асинхронной машины представляет собой полый цилиндр, собранный из пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга слоем лака). Три фазные обмотки, возбуждающие вращающееся магнитное поле машины, раз­мещены в пазах на внутренней стороне статора. Чтобы лучше исполь­зовать окружность статора, каждая из фазных обмоток распола­гается по нескольким пазам (рас­пределенная обмотка). Распределение обмот­ки по пазам обусловливает соот­ветствующее распределение маг­нитного поля вдоль окружности статора. Для того чтобы распре­делить многовитковую фазную об­мотку по нескольким пазам, ее раз­деляют на соответствующее число соединенных последовательно сек­ций, каждая из кото­рых состоит из нескольких витков.

Секции обмотки укладываются в пазы. В асинхронных машинах сердечник статора изготовляется с полуоткрытыми или открытыми пазами. На стороне полуоткрытых пазов преимущество меньшего магнитного сопротивления, следовательно, в двигателе с такими пазами меньше намагничивающий ток. С другой стороны, при открытых пазах проще осуществляется укладка секций. обмотки и надежнее условия для изоляции, что весьма важно для дви­гателей высокого напряжения.

Минимальное число фазных обмоток в трехфазной асинхронной машине т = 3. Каждая обмотка содержит одну или несколько катушеч­ных групп, соединенных последовательно. Расположение каждой из обмоток с одной катушечной группой сдвинуто по окружности статора относительно катушечной группы соседней фазной обмотки на угол 120°. В общем случае число фазных обмоток в трехфазной асинхронной машине может быть любым, но кратным трем.

Конструкция ротора. Асинхронные машины в основном разли­чаются устройством ротора. Ротор асинхронной машины представляет собой цилиндрический сердечник, собранный из пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга лаком. Сердечник ротора насажен на вал, закрепленный в подшипниках. В пазах ротора располагаются витки обмотки ротора.

В большинстве двигателей применяется короткозамкнутый ротор. Он значительно дешевле, и, что очень существенно, обслуживание двигателя с короткозамкнутый ротором значительно проще. Обмотка короткозамкнутого ротора выполняется в виде цилиндрической клетки из медных или алюминиевых стержней, которые без изоляции вставляются в пазы сердечника ротора. Торцевые концы стержней замыкаются накоротко кольцами из того же материала, что и стержни (так называемое «беличье колесо»). Часто короткозамкнутая обмотка изготовляется путем заливки пазов ротора расплавлен­ным алюминием.

Обмотка фазного ротора, называемого также ротором с контакт­ными кольцами, выполняется изолированным проводом. В большинстве случаев она трехфазная, с тем же числом катушек, что и обмотка статора данного двигателя. Три фазные обмотки ротора соединяются на самом роторе в звезду, а свободные концы их соеди­няются с тремя контактными кольцами, укрепленными на валу ма­шины, но изолированными от этого вала. На кольца наложены щетки, установленные в неподвижных щеткодержателях. Через кольца и щетки обмотка ротора замыкается на трехфазный реостат. Обмотка статора такого двигателя включается непосредственно в трехфазную сеть. Включение реостата в цепь ротора дает возможность существенно улучшить пусковые условия двигателя — уменьшить пусковой ток и увеличить начальный пусковой момент, кроме того, с помощью реостата, включенного в цепь ротора, можно плавно регулировать скорость двигателя.

28. Рабочие характеристики асинхронного двигателя.

Механическая характеристика наглядно показывает свойства асин­хронного двигателя как части электропривода. Но, для более пол­ного выявления свойств самого двигателя служат его рабочие харак­теристики— так принято называть зависимости от полезной мощ­ности Р_г двигателя на валу частоты вращения п, вращающего мо­мента М, коэффициента мощности cos φ и КПД η = Р₂/Р₁. Все рабочие характеристики снимаются при номинальных частоте сети f и напряжении между, выводами статора U₁=U_ном.

Так как Р₂ ≈ Р_мех, _а Р_мек = Мω_р, то зависимость п (Р₂) — ско­ростная характеристика — мало отличается по форме от механиче­ской, характеристики двигателя п (М), она тоже может быть названа жесткой (рис. 14.29).

Вращающий момент М, развиваемый двигателем, складывается из полезного момента М₂ (преодоления нагрузки на валу двигателя) и момента холостого хода М_х. Последний затрачивается на покрытие механических потерь двигателя. Этот момент можно приближенно считать не зависящим от нагрузки двигателя. Полезный момент М₂ = P₂/ω_р, и если бы ω_р была строго постоянна, то зависимость М₂ (P₂) была бы линейна, но угловая скорость двигателя немного уменьшается с увеличением Р₂, поэтому график зависи­мости М₂ (Р₂) немного отклоняется вверх. Соответственно график вращающего момен­та М (Я₂), складывающегося из момента хо­лостого хода и полезного момента, пересекает ось ординат в точке, соответствующей М_х, а затем он почти прямолинеен и лишь немно­го изгибается вверх. Что касается зависимости cos φ₁ двигателяот нагрузки, то его изменения обусловлены следующими соотношениями. Намагничиваю­щий ток двигателя мало зависит от нагруз­ки, так как ее увеличение вызывает лишь возрастание потокосцеплений рассеяния, про­порциональных токам в обмотках статора и ротора, а главный маг­нитный поток машины при возрастании нагрузки незначительно уменьшается. Но активный ток двигателя пропорционален его меха­нической нагрузке. Таким образом, с увеличением нагрузки двига­теля относительное значение реактивного тока быстро убывает, a cos φ увеличивается. При холостом ходе двигателя его коэффи­циент мощности довольно низок — примерно 0,2. С увеличением нагрузки он быстро возрастает и достигает максимального значе­ния (0,7—0,9) при нагрузке, близкой к номинальной. Таким обра­зом, даже у полностью загруженного двигателя реактивный ток составляет 70—40 % тока статора.

Неполная загруженность асинхронных двигателей является одной из главных причин низкого cos <р промышленных предприятий. Есте­ственным способом повышения cos φ является полная загрузка асин­хронных двигателей. Главный магнитный поток двигателя пропор­ционален напряжению на статоре. Намагничивающий ток, возбуждающий этот поток, при заданном значении потока обратно пропорционален магнитному сопротивлению на пути потока. В этом магнитном сопротивлении большую часть составляет сопротивление воздушного зазора между статором и ротором. По этой причине кон­структор стремится сократить этот зазор до минимума, определяемого условиями подвижности в подшипниках и необходимым запасом. на их износ, прогибом вала и точностью центровки. С увеличением номинальной мощности двигателя необходимый воздушный зазор возрастает значительно медленнее этой мощности, благодаря чему с повышением номинальной мощности двигателя его cos φ увеличи­вается. С уменьшением номинальной частоты вращения двигателя увеличивается его магнитный поток, так как при меньшей частоте вращения он индуктирует в фазной обмотке статора меньшую ЭДС. Следовательно, у тихоходных двигателей намагничивающий ток относительно больше, a cos φ существенно меньше.

Коэффициент полезного действия определяется отношением полез­ной мощности на валу Р_г к мощности Р₁ определяющей потребление двигателем энергии из сети: η=P₂/P₁. Мощность P₁ равна сумме полезной мощности и мощности всех потерь в двигателе: P₁ = Р₂ + Р_пот.. Мощность всех потерь энергии в двигателе можно разделить на постоянную составляющую, практически не зависящую от нагрузки, и переменную составляющую, зависящую от нее.

Мощностью постоянных потерь энергии в двигателе можно счи­тать мощность потерь в сердечнике статора на гистерезис и вихревые токи и мощность механических потерь, которая определяется экспе­риментально из опыта холостого хода двигателя.

Мощностью переменных потерь энергии в двигателе является мощность потерь на нагревание проводников обмоток статора и ро­тора.

Своего максимального значения (65—95 %) КПД достигает, когда переменные потери равны постоянным У большинства двигателей этот максимум КПД имеет место примерно при нагрузке, равной 75 % номинальной, так как двигатели проектируются с уче­том того обстоятельства, что далеко не всегда они полностью загружены.

29. Механическая характеристика асинхронного двигателя и ее основные точки.

Для устойчивой работы двигателя важно, чтобы автоматически устанавливалось равновесие вращающего и тормозного моментов; с увеличением нагрузки на валу двигателя должен соответственно возрастать и вращающий момент. Это уравновешивание у работаю­щего асинхронного двигателя осуществляется следующим образом: при увеличении нагрузки на валу тормозной момент оказывается больше вращающего момента, вследствие чего частота вращения ро­тора уменьшается —скольжение возрастает. Повышение скольжения вызывает увеличение вращающего момента, и равновесие моментов восстанавливается при возросшем скольжении. максимальный момент больше номинального в 2—2,5 раза.

Для целей электропривода большое зна­чение имеет зависимость частоты вращения двигателя от нагрузки на валу п (М); эта зависимость носит название механической ха­рактеристики

Как показывает кривая рис. 14.23, частота вращения асинхронного двигателя лишь не­значительно снижается при увеличении вращающего момента в пре­делах от нуля до максимального значения, т. е. механическая ха­рактеристика двигателя в этом случае жесткая.

При перегрузке свыше максимального момента М_тах (что состав­ляет примерно двух-трехкратную перегрузку) двигатель входит в об­ласть неустойчивого режима (если тормозной момент на валу постоя­нен) и останавливается. Это обстоятельство вынуждает выбирать мощ­ность двигателя так, чтобы даже при кратковременной перегрузке не был превышен максимальный момент; в противном случае привод дол­жен быть снабжен соответствующим маховиком.

Механическая характеристика, относящаяся к нормальным рабо­чим условиям машины, называется естественной механической харак­теристикой в отличие от искусственной механической характери­стики, какой является, например, характеристика двигателя с фазным ротором, когда в цепь ротора включен реостат.

30. Электропроводимость полупроводников

В полупроводниках n-типа концентрация электронов больше, чем концентрация дырок. В полупроводниках р-типа концентрация дырок больше концентрации свободных электронов.

В чистом и однородном полупроводнике концентрация свободных электронов и дырок одинаковая, он обладает достаточно высоким удельным сопротивлением. Для уменьшения сопротивления и получения полупроводника определённого типа проводимости используют процесс легирования – внесения примесей в полупроводник. Примеси бывают 2-х типов:

1) акцепторные примеси

Атомы акцепторных примесей притягивают электроны слабо связанные с ядром атома исходного полупроводника. Таким образом, концентрация свободных электронов становится меньше, чем концентрация дырок, следовательно, получаем полупроводник с дырочной проводимостью, т.е. р-типа.

2) донорные примеси

Электроны, слабо связанные с ядром атомов примеси переходят в зону проводимости (становятся свободными). Таким образом концентрация свободных электронов будет больше, чем концентрация дырок, следовательно, получаем полупроводник с электронной проводимостью, т.е. n-типа.

31. Образование p-n – перехода и его свойства.

Большое значение в работе полупроводниковых приборов играет электронно-дырочный переход (p-n – переход) – область на границе 2-х полупроводников, один их которых имеет дырочную, другой электронную проводимость.

При соприкосновении п\п разного типа в пограничном слое происходит процесс рекомбинации – объединения отрицательных электронов и положительных дырок. В результате образуется слой, лишённый свободных носителей зарядов и обладающий высоким сопротивлением. Образуется запирающий слой. Ширина p-n – перехода имеет конкретное значение l.

Вследствие разности потенциалов в запирающем слое возникает электронное поле, которое характеризуется определённым значением ЭДС - .

ЭДС запирающего слоя препятствует движению через p-n – переход основных носителей заряда (é и j n-области и дырок из р-области),но неосновные носители заряда (é и j р-области и дырки n-области) могут переходить через p-n – переход , тем самым создавая ток – дрейфовый ток I_др.

При протекании I_др. на p-n – переход происходит падение напряжения, которое уменьшает контактную разность потенциалов. Тогда находятся уже основные носители заряда, обладающие достаточной энергией, чтобы преодолеть эту контактную разность потенциалов. Они создают ток – диффузионный I_Диф.=I_др и направлен ему навстречу.В p-n – переходе устанавливается динамическое равновесие.

При подключении внешнего источника питания Е_вн. p-n – переход будет проявлять разные свойства в зависимости от полярности включения Е_вн.

1. "+" к р-области, "-" к n-области. При этом ЭДС внешнего поля направлено навстречу ЭДС запирающего слоя Е_зап.. запирающий слой начинает уменшаться и при Е_вн=0,4-0,6 В исчезает вовсе и через p-n – переход протекает большой ток, который называется прямым, а p-n – переход называется открытым.

2. "+" к n-области, "-" к р-области. При этом запирающий слой увеличивается по ширине, его сопротивление возрастает и через p-n – переход протекает маленький ток, который называется обратным (обусловлен движением преимущественно неосновных носителей). Ток – обратный, p-n – переход – закрытый.

32. Вольтамперная характеристика p-n – перехода

ВАХ состоит из двух ветвей. Прямая ветвь снимается для открытого p-n – перехода, обратная ветвь – для закрытого.

1. E_вн < E_зап ; I_пр мал;

2. E_вн>E_зап; I_пр резко возрастает;

3. Обратный ток мал, т.к. p-n – переход закрыт;

4. Электронный пробой p-n – перехода

а) лавинный пробой – обусловлен ударной ионизацией атомов, электронами, проходящими через p-n – переход.

б) электронный пробой – обусловлен эффектом Зеннера – попарное образование свободных электронов и дырок за счет электроэнергии внешнего поля

Электронный пробой – явление обратимое, т.е. при уменьшении приложенного напряжения закрытый p-n – переход восстанавливает свои свойства. Поэтому используется в некоторых приборах в качестве рабочего режима.

5. Тепловой пробой p-n – перехода происходит за счет нагрева области p-n – перехода, протекающий с большим обратным током. Тепловой пробой – явление необратимое, т.к. приводит к разрушению p-n – перехода

В сильнолегированных п/п может наблюдаться тоннельный эффект. Тогда ВАХ будет иметь вид:

33. Полупроводниковые резисторы: типы, характеристики и обозначение.

П/п резисторы – приборы на основе однородного изотропного п/п с двумя выводами, в которых используется зависимость сопротивления от различных управляющих факторов.

Р

R

I

U

U

I

И нелинейные:

U

-U

-I

1) Варистор – сопротивление зависит от приложенного напряжения. Основной параметр – коэффициент нелинейности: ; ;

3. Терморезистор – сопротивление зависит от температуры

t⁰

а) позистор – с увеличением температуры сопротивление тоже увеличивается ;

б) термистор - с ростом температуры сопротивление уменьшается ;

- температурный коэффициент сопротивления; ;

R_t

a) α>0

б) α<0

t

4. Фоторезистор – сопротивление зависит от светового потока

4) Тензорезистор – сопротивление зависит от механических деформаций

σ

34. Полупроводниковые диоды: типы, характеристики и обозначение.

П/п диоды – приборы с одним p-n переходом и двумя выводами, в которых используются свойства p-n перехода. Диоды делятся на два класса в зависимости от площади p-n перехода:

1. т

   Iпр

   очечные (малая площадь p-n перехода)

2. п

   Uст

   лоскостные:

• выпрямительные диоды

Uпр

• с

  Iст

  табилитроны

• варикапы

• тоннельные диоды

• обращенные диоды

• фотодиоды

• светодиоды

В тоннельных и обращенных диодах используется тоннельный эффект p-n перехода. Эти диоды используются в быстродействующих схемах и схемах автоматики.

Варикапы – диоды, в которых используется зависимость емкости p-n перехода от обратного напряжения и которые предназначены для применения в качестве элемента с электрически управляемой емкостью

Фотодиоды – в них свойства p-n перехода зависят от направленного на них оптического излучения (светового потока или освещенности)

Светодиоды – под действием приложенного напряжения из области p-n перехода вырывается кванты света. Широко используются в качестве индикаторов.

Выпрямительные диоды – свойства полностью определяются свойствами p-n перехода. Направление вершины треугольника показывает направление прямого тока. Широко используются в схемах выпрямителей (преобразователь непрямого тока в прямой).

Основные параметры:

1. Значение прямого напряжения, которое нормируется при определенных значениях прямого тока

2. Максимально допустимый прямой ток

3. Максимально допустимое обратное напряжение

4. Значение обратного тока, которое нормируется при определенном значении обратного напряжения

1 и 4 параметры определяют номинальный режим работы

Стабилитроны – п/п диоды, в которых на ВАХ в области электропробоя напряжение мало зависит от тока и которые используются для стабилизации напряжения. Для него рабочим режимом является обратное включение – основные параметры: обратный ток (стабилизации) и напряжение (стабилизации) I_ст и U_ст.

1

Участок

стабилизации

пробой

1. минимальный ток стабилизации, ограничен линейным участком ВАХ

2. максимальный ток стабилизации, ограничен допустимой температурой п/п

3. напряжение на участке стабилизации

4. дифференциальное сопротивление на участке стабилизации

Стабилитроны допускают только последовательное включение (между собой). При этом увеличивается общее напряжение стабилизации.

35. Биполярные транзисторы: типы, схемы включения, принцип действия.

Это электропреобразовательные п/п приборы, имеющие трехслойную структуру с чередующимися типами электропроводности, пригодные для усиления мощности. Существует два типа транзисторов:

p-n-p и n-p-n. Б- база, Э-эмиттер, К-коллектор.

Средняя область называется базой, выполняется очень тонкой. Наружный слой, который является источником носителей заряда и создает ток прибора называется эмиттер. Другой наружный слой, который принимает носители заряда, поступающие от эмиттера называется коллектор. В транзисторе p-n-p стрелка на эмиттере направлена к базе а в n-p-n – от базы. Стрелка показывает направление протекания тока в приборе. I_э=I_к+I_б

На p-n переход база-эмиттер напряжение всегда подается в прямом направлении, поэтому даже при небольших значениях U_бэ возникает большой ток эмиттера. На p-n переход база-коллектор напряжение всегда подается в обратном направлении (U_бк), причем его значение в несколько раз больше U_бэ. Следовательно, коллекторный переход закрыт всегда.

Принцип работы n-p-n:

1. Если эмиттер не подключен к источнику питания, то ток коллектора в транзисторе равен начальному коллекторному току I_к0. Он имеет очень маленькие значения, т.к. обусловлен движением неосновных носителей заряда, т.е. при Е_э=0 => I_k=I_k0,

2. При подключении эмиттера к источнику питания через открытый p-n переход база-эмиттер возникает эмиттерный ток (большой). Он обусловлен движением электронов из n-области эмиттера в p-область базы. Некоторое количество электронов рекомбинирует с дырками базы, тем самым создавая базовый ток I_б. Но так как база выполнена узкой, то основная часть электронов проходит далее в область коллектора и создает коллекторный ток I_k. Электроны легко преодолевают закрытый p-n переход база-коллектор, т.к. для p-области базы они являются неосновными носителями.

Два вида ВАХ: (схема с общим эмиттером)

• входные (базовые) - выходные (коллекторные)

I_б=f(U_бэ), при U_кэ=const; I_k=f(U_кэ), при I_б=const;

Кроме входных и выходных характеристик анализируется переходная характеристика транзистора: I_k=f(I_б)

К основным параметрам транзистора относят:

h₁₁ – входное сопротивление, h₁₂ – коэффициент внутренней обратной связи по напряжению, h₂₁ – коэффициент передачи тока, h₂₂ – выходная проводимость.

Значения параметров коллекторной цепи биполярного транзистора не должны превышать максимальных значений: I_k<I_kmax, U_k<U_kmax, P_k<P_kmax.. Эти максимальные значения ограничивают рабочую область характеристик транзистора. Параметры транзистора зависят от температуры и частоты. Транзисторы применяются в схемах усилителей, генераторов и логических элементов.

36. Тиристоры

Это п/п прибор с тремя и более p-n переходами, который используется для переключения. Бывают:

1. диодные (динисторы), два вывода – анод и катод

2. триодные (тринисторы), три вывода- анод, катод и управляющий электрод

Напряжение питания Е подключается таким образом, чтобы p-n переходы П1 и П3 были открыты, П2 – закрыт. При этом ток тиристора малю. При подключении прямого напряжения ток тиристора будет мал до тех пор, пока напряжение не станет равно критическому значению, которое называется напряжение включения. При этом ток резко возрастает, а напряжение на приборе падает. Тиристор играет роль электронного ключа.

Тиристоры подразделяются на

• несимметричные

• симметричные, у которых ВАХ имеет одинаковые прямую и обратную ветви.

38. Фоторезисторы.

Это п/п резистор, у которого сопротивление зависит от освещенности (светового потока). Освещенность – Е (люкс). Световой поток – Ф (люмен)

Основные характеристики:

1. Энергетическая характеристика – зависимость фототока от светового потока I_ф=f(Ф)

Фототок – разница между темновым током и током освещенного фотоприбора.

2. Световая характеристика – зависимость фототока от освещенности I_ф=f(Е)

3. ВАХ – зависимость тока от напряжения

К основным параметрам относятся:

• темновое сопротивление (r_T=10²..10⁹ Ом)

• рабочее напряжение (менее 100 В)

• чувствительность S=

Недостаток – зависимость параметров от температуры.

37. Полевые транзисторы: структура, характеристики, основные параметры.

Это п/п электропреобразующий прибор, который используется при усилении мощности электромагнитных колебаний. Протекание тока в полевых транзисторах обусловлено движением носителей зарядов одной полярности.

Структура полевого транзистора:

1-канал

2-наружный слой, который служит источником носителей зарядов, поступающих в канал – исток И

3-наружный слой, в который поступают носители заряда из канала – сток С

4-затвор – З –область для регулирования поперечного сечения канала.

Бывают транзисторы 2х типов в зависимости от типа п/п из которого изготавливается канал:

1. с p-каналом

2. с n-каналом

Ток канала управляется электрическим полем, которое возникает в структуре транзистора при подключении напряжения между затвором и истоком

Все транзисторы делятся на 2 класса:

1. полевой транзистор с управляющим p-n переходом. В них затвор электрически отделен от канала закрытым p-n переходом.

2. Полевые транзисторы с изолированным затвором. В них затвор электрически отделен от канала слоем диэлектрика (p-n переход отсутствует)

Основные характеристики:

1. выходные (стоковые) ВАХ I_c=f(U_cu) при U_зи=const

2) передаточная характеристика I_c=f(U_зu) при U_си=const

Основные параметры:

1. Динамическое сопротивление (дифференциальное) на участке насыщения

R_д= при U_зи=const

2. крутизна характеристики передачи S= при U_си=const

3. коэффициент усиления

Полевой транзистор по своим параметрам и характеристикам полностью аналогичен электровакуумному триоду.

39. Фотодиоды: характеристики, режимы работы.

Это п/п диод, у которого ВАХ изменяется под действием светового излучения.

Может работать в двух режимах:

1. режим фотогенератора (без внешнего источника электроэнергии).

В этом режиме происходит непосредственное преобразование энергии оптического излучения в электроэнергию. При освещении неоднородного п/п образуется фотоЭДС (равная контактной разности потенциалов)

2. режим фотопреобразователя (с внешним источником электроэнергии)

Характеристики те же что и для фоторезистора:

• энергетическая

• световая

• ВАХ, определяет режим работы генератора и преобразователя

Оа – напряжение холостого хода фотодиода, Об – ток короткого замыкания, аб – определяет работу фотодиода в фотогенераторном режиме, бв – фотопреобразовательный режим

Обычно характеристики в фотопреобразовательном режиме разворачивают в следующем виде

Основным параметром фотодиода является чувствительность S=, определяется в фотогенератоном режиме и считается одинаковой для обоих режимов работы.

40. Оптоэлектронные приборы.

Они содержат одновременно источник и приемник световой энергии. Для оптопары как входным, так и выходным параметром является электрический сигнал, причем гальваническая связь между входной и выходной цепями отсутствует. В качестве излучателя оптопары могут быть использованы инфракрасный излучающий диод, светоизлучающий диод, люминесцентный излучатель или п/п лазер. Наибольшее распространение в настоящее время получил инфракрасный излучающий диод, что объясняется простотой его структуры, управления и высоким КПД. В качестве приемника оптопары находят применение фоторезистор, фотодиод, фототранзистор и др. Следует отметить, что оптопара позволила создать аналог разделительного трансформатора, что является особенно актуальным в интегральной микроэлектронике.

Для усиления и согласования выходного сигнала оптопары со стандартным уровнем напряжения, используемым для передачи и преобразования цифровых сигналов, служат оптоэлектронные ИС. В них применяются, как правило, диодная оптопара (обладающая максимальным быстродействием) и импульсный усилитель.

а – резистивная оптопара

б – диодная

в – транзисторная с биполярным транзисторм

г – тиристорная

42. Выпрямители: разновидности, типы схем.

Это устройства, которые применяются для преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока. Они делятся на:

• неуправляемые, в которых значение выпрямленного напряжения неизменно

• управляемые, в которых можно изменять значение напряжения на нагрузке

По числу фаз первичного источника энергии различают выпрямители однофазные и многофазные (трехфазные).

По форме выпрямленного напряжения выпрямители делятся на однополупериодные и двухполупериодные.

Выпрямитель состоит из следующих основных узлов

Тр

Тр – транзистор, изменяет значение напряжения до требуемого

ВГ – вентильная группа (диоды) – выполняют операцию выпрямления

СФ – сглаживающие фильтры – уменьшают пульсацию выпрямленного напряжения

Н – нагрузочное устройство

Для упрощения анализа работы выпрямителей считаем диоды и трансформаторы идеальными:

1. прямое сопротивление и обратный ток диода равны 0

2. активное сопротивление обмоток трансформатора равно 0

3. в трансформаторе отсутствуют потоки рассеяния

Внешняя характеристика выпрямителя – зависимость напряжения нагрузки устройства от тока нагрузки. При протекании тока в схеме выпрямителя происходит падение напряжения на всех элементах схемы: обмотке трансформатора, выпрямительных диодах и соединительных проводах. Поэтому напряжение нагрузочного устройства уменьшается.

U_н=U_н.х. – (R_пр+R_тр)*I_н

U_н=U_н.х. при I_н=0

R_пр – прямое сопротивление открытого диода

R_тр – активное сопротивление обмоток трансформатора

При подключении сглаживающих фильтров падение напряжения на элементах схемы увеличивается, а напряжение нагрузки уменьшается.

43. Однополупериодная схема выпрямителя: основные параметры

Рассмотрим принцип работы однополупериодного выпрямителя (без сгл. фильтров):

0 – T/2: _a>_б -> VD открыт -> I₀ не равен 0 -> I_н=I₀

T/2-T: _a<_б -> VD закрыт –> I₀=0 -> I_н=0

Основные параметры:

1. среднее (за период) значение выпрямленного напряжения

U_нср=

2. Среднее значение тока I_н=

3. Параметры диода

- максимальное значение прямого тока диода I_maxпр=

-Максимальное значение обратного напряжения

U_{обр max}= U_2m

-Коэффициент трансформации трансформатора n=

Кроме перечисленных одним из основных параметров является коэффициент пульсаций, который оценивает уровень пульсаций p=

U_оснm – амплитуда основной гармоники (амплитуда самой назкой частоты из разложения в ряд Фурье)

p= 1,57 (без фильтров).

44. Двухполупериодная схема выпрямителя: основные параметры.

Используется 2 вида схем:

1. двухполупериодная с средней точки вторичной обмотки транзистора

2. Двухполупериодная мостовая

0-T/2: VD1 и VD3 открыты I₀0 I_п=I₀

T/2-t: VD2 и VD4 открыты I₀0 I_п=I₀0

Для двухполупериодной схемы коэффициент пульсации: р0,67

45. Сглаживающие фильтры: типы обозначения. Ёмкостной фильтр.

Они применяются для уменьшения пульсаций выпрямленного токаи напряжения. Подключаются после выпрямления перед нагрузочным устройством. Их основными элементами являются конденсаторы, катушки индуктивности и транзисторы, т.е. элементы, у которых различны сопротивления переменному и постоянному току.

Различают:

• Ёмкостные сглаживающие фильтры С_ф

• Индуктивные L_ф

• Г-образные

• П-образные

Основной параметр: коэффициент сглаживания:

Емкостные фильтры. Основной элемент – конденсатор, подключающийся параллельно нагрузочному устройству. Уменьшение пульсаций выпрямленного напряжения обусловлено разрядным током конденсатора в непроводящий полупериод.

t₃ u t₁ – макс имальные значения.

0 – t₁: U_VD >U_Сф => заряд С_ф через открытый диод VD до максимального значения

t₁ – t₂: U_VD <U_Сф => разряд С_ф на R_н

t₂ – t₃: заряд С_ф

Чем больше ёмкость конденсатора, тем лучше его сглаживающие свойства.

48. Режимы работы усилительных каскадов.

В зависимости от положения рабочей точки на переходных и выходных характеристиках транзистора, выделяют 3 режима работы – А, В и С. Они отличаются уровнем нелинейных искажений вых. сигнала и значением КПД

Режим А. Раб. точка выбирается примерно посередине линейного участка перех. и вых. характеристик транзистора. Этому режиму соответствует минимальные нелинейные искажения (форма выходного сигнала полностью повторяет форму входного), но значение КПД <50%

Режим В. Раб. точка выбирается в начале переходной характеристики, точка отсечки. Выходной сигнал возникает только в течение положительной полуволны входного сигнала. Этому режиму соответствует большие нелин. искажения, зато КПД около 80%

Режим С. Раб. точка выбираетсяза точкой отсечки. Вых. сигнал возникает только в течение части положительной полуволны входного U. Большие нелинейные искажения, но КПД стремится к 100%. Режим С используется в избирательных усилителях.

49. Обратные связи в усилителях.

ОС – это подача части или всего выходного сигнала с выхода на вход усилителя.

Положительная («+») ОС:

Отрицательная («-«) ОС:

ОС параллельная, если она подключается || входным и выходным цепям усилителя, и ток ОС суммируется с током входным.

ОС последовательная, если она подключается последовательно входным цепям усилителя, и напряжение ОС суммируется с входным напряжением.

ОС делятся на:

­–ОС по напряжению, , β – коэффициент передачи ОС

–ОС по току, , - взаимное сопротивление выходной цепи и цепи ОС.

Обычно ОС создают специальным образом, но в усилителях ОС могут возникать самопроизвольно – это так называемые паразитные связи, они ухудшают работу усилителя. Они бывают:

1)Паразитная связь между каскадами через цепи питания

2)Емкостная связь, обусловленная паразитными емкостями между вх. и вых. усилителя

3)магнитные связи, возникающие при близком расположении вх. и вых. трансформаторов усилителя.

(«-«) ОС уменьшает коэффициент усиления.

(«+») ОС увеличивает коэффициент усиления.

Положительную ОС применяют редко, т.к. ухудшается стабильность и другие параметры. Чаще применяется отрицательная ОС, т.к. она улучшает температурную стабильность, помехоустойчивость, стабильность коэффициента усиления, снижает уровень нелинейных искажений, повышает входное и снижает выходное сопротивление усилителя.

Если βК >> 1, то говорят о наличии глубокой ОС. При этом Кос определяется только через β:

50. Усилители мощности

Усилители мощности – это устройства для повышения мощности входного электрического сигнала. Схемы усилителей мощности часто строят на основе биполярных либо полевых транзисторов, а также микросхем (операционных усилителей)

УЭ – усилительный элемент.

Мощность выходного сигнала значительно больше мощности входного. Это увеличение мощности происходит за счет энергии источника питания E.

Процесс усиления происходит путем изменения сопротивления нелинейного управляемого элемента (и тока выходной цепи) под воздействием входного напряжения или тока.

Усилители мощности характеризуются коэффициентом усиления по мощности:

51. Усилители постоянного тока

Это усилители, предназначенные для усиления сигналов очень низкой частоты, <1 Гц.

Характеристики УПТ должны отвечать следующим требованиям:

1. В отсутствие входного сигнала должен отсутствовать и выходной

2. При изменении знака вх. сигнала, должен изменяться из знак вых.

3. Напряжение на нагрузочном устройстве должно быть пропорционально входному U.

2 и 3 условия выполняются при работе усилителя в режиме А. Для выполнения 1го, необходимо отделить полезный выходной сигнал от постоянных составляющих тока и напряжения транзистора.

В УПТ отделение пост. составляющих напряжения производитс, как правило, компенсационными методами.

Схема УПТ с 1 источником питания:

Сопротивления R1 и R2 – делитель. Они выбираются таким образом, чтобы в отсутствие входного сигнала выполнялось условие φ1 = φБ.

R3 и R4 – выбираются таким образом, чтобы в отсутствие входного сигнала выполнялось условие φ2 = φК.

Таким образом при отсутствии тока во входной цепи, он будет отсутствовать и в нагрузке.

R5 включается для более точной подстройки режима выходной цепи.

При подаче входного сигнала появляется ток во входной цепи, изменяются ток коллектора и базы, изменяется напряжение коллектора и появляется ток нагрузки.

52. Дифференциальные схемы усилителей постоянного тока

Дифференциальные схемы усилителей постоянного тока используются для устранения «дрейфа нуля», ослабляя его в 20-100 раз. Строится на основе 4-плечевого моста. При сбалансированном мосте, т.е. при равных произведениях сопротивлений его противоположных плеч, при приложении к одной из его диагоналей напряжения, по другой диагонали ток течь не будет.

R1 выполняет температурную стабилизацию работы транзисторов.

R2 = R3

VT1 и VT2 подбираются одинаковыми, с идентичными характеристиками. Тогда данная схема сбалансирована, и в отсутствии входного сигнала, i_Н = 0.

Rп – переменное сопротивление для более точной подстройки нуля, так как трудно подобрать одинаковые транзисторы.

Баланс схемы не нарушается при изменении напряжения источника питания и температуры, так как R2 и R3, и транзисторы VT1 и VT2 реагируют на эти изменения одинаковым образом.

Схема имеет 2 равноценных входа.

Вход 1 не инвертирующий, так как U_{ВХ 1} по фазе совпадает с U_ВЫХ .

Вход 2 инвертирующий, так как U_{ВХ 2} в противофазе с U_ВЫХ .

54. Ключевой режим работы транзистора

Транзисторный ключ, в отличие от диодных ключей, позволяет разделить управляющую и управляемую электрические схемы.

Точка А1 – точка отсечки, характеризует режим отсечки.

I_Б = 0, I_К1 = I_К0, I_К0 – начальный коллекторный ток, часто он почти =0.

U_К1 ≈ E_К1, транзистор закрыт, ключ находится в состоянии «ВЫКЛЮЧЕНО»

Точка А2 – точка насыщения, характеризует режим насыщения.

I_Б ≠ 0, I_Б ≠U_ВХ/R_Б, I_К =Е_К/R_К

U_К2 стремится к 0, транзистор открыт, ключ находится в состоянии «ВКЛЮЧЕНО»

Переход из режима отсечки в режим насыщения осуществляется воздействием положительного входного напряжения.

В инвертирующем транзисторном ключе повышение U_ВХ, т.е. потенциала базы, соответствует понижению U_ВЫХ.

55.Логические элементы.

ЛЭ чаще всего строят на основе электронных устройств, работающих в ключевом режиме.

ЛЭ выполняют простейшие логические операции, то есть преобразуют по определенным правилам входную информацию в выходную. Цифровую инф. обычно представляют в двоичной форме, логические 0 и 1 соответствуют 2м состояниям ключа.

ЛЭ выполняются чаще всего в виде интегральных микросхем.

«ИЛИ»

Выходной сигнал F будет равен 1, когда хотя бы на 1 вход подается логическая 1.

F = X1 + X2 + … + Xn

«И»

Выходной сигнал F будет равен 1, на все входы одновремнно подается логическая 1.

F = X1 *X2 * … * Xn

«НЕ»

Также называется инвертором, преобразует 1 в 0, и наоборот.

«И-НЕ» «ИЛИ-НЕ»

В зависимости от вида используемых сигналов, ЛЭ делят на потенциальные и импульсные.

В потенциальных логические 1 и 0 представляются 2 разными уровнями электрического потенциала.

В импульсных логические 1 и 0 представляются наличием или отсутствием перепада напряжения от низкого уровня к высокому, и наоборот.

56. Триггеры RS- и Т-типа.

Триггеры относятся к базовым элементам цифровой техники. Они обладают 2 устойчивыми состояниями равновесия и способны скачком переходить из 1 в другое под воздействием внешнего сигнала.

Триггеры выполняются в виде микросхем, построенных на основе логических элементов.

По способу записи они делятся на асинхронные и синхронные.

По виду логического управления делятся на RS-, JK-, D- и Т-типа.

RS-типа.

Имеет 2 информационных входа, R и S.

R – «нулевой», при подаче на него логической 1 на выходе получим лог.0 независимо от состояния входа S.

S – «единичный», при подаче на него лог.0 на выходе получим лог.1

RS-триггер выполняется на основе логических элементов «ИЛИ-НЕ» или «И-НЕ».

Характеристическое уравнение:

Таблица истинности:

Синхронный RS-триггер ->

Запрещенная, так как на выходе с одинаковой вероятностью может быть 0 и 1 Асинхронные RS-триггеры находят ограниченное применение в качестве самостоятельных устройств, но часто входят в состав более сложных схем.

T-типа.

Имеет 1 информационный вход, и переходит в противоположное состояние в результате воздействия на вход очередного сигнала. Используется длля построения счетчиков. Может быть синхр. и асинхр.

Выполняется на основе 2 последовательно соединенных RS триггеров, 1й – ведущий, 2й – ведомый.

- MS-схема.

Характеристическое уравнение:

Таблица истинности:

57. Триггеры JK- и D-типа.

Триггеры относятся к базовым элементам цифровой техники. Они обладают 2 устойчивыми состояниями равновесия и способны скачком переходить из 1 в другое под воздействием внешнего сигнала.

Триггеры выполняются в виде микросхем, построенных на основе логических элементов.

По способу записи они делятся на асинхронные и синхронные.

По виду логического управления делятся на RS-, JK-, D- и Т-типа.

JK-типа.

Имеет 2 информационных входа, J и K. Получается из MS-схемы с использованием 3 элементов «И-НЕ» во входных цепях триггера.

Характеристическое уравнение:

Вход K – «нулевой», J – «единичный», но в отличие от RS запрещенных комбинаций нет.

JK-триггер – синхронизируемый:

Таблица истинности:

JK-триггер – универсальный, т.к. с его использованием можно реализовать и другие триггеры, например, Т- и D-.

D-типа.

Имеет 1 информационный вход. Он задерживает поступившую на него информацию на время, равное периоду синхронизирующего сигнала.

Выполняется на основе асинхр. RS триггера.

58. Регистры, дешифраторы.

Регистры – это устройства для записи и хранения дискретного слова – двоичного числа или другой кодовой комбинации. Основные элементы регистра – двоичные ячейки, в качестве которых используются триггеры. Число двоичных ячеек определяется числом двоичных разрядов слова (длиной слова), на которое рассчитан регистр.

<– Параллельный регистр

Он позволяет записывать и читать инф-ю только в параллельных кодах, каждому разряжу соответствует отдельная линия. Более экономичными являются последовательные регистры, когда используется одна линия для последовательной (во времени) передачи комбинаций 0 и 1. Для этого применяются сдвигающие регистры.

Дешифраторы

Это устройства для распознавания различных кодовых комбинаций. Они бывают 2 типов.

1. Каждой входовой комбинации на входе соответствует активный уровень сигнала на одном из его выходов.

2. Каждой определенной комбинации на m входах соответствует цифровой код на n выходах (например, преобразователь двоичного кода в двоично-десятичный)

Дешифратор «1 из 10»

Применяются для управления несколькими исполнительными механизмами (включение только одного), управления индикаторами в приборах цифровой индикации и т.д.

59. Стабилизаторы тока и напряжения.

Стабилизатор – это устройство для автоматической поддержки тока или напряжения на определенном уровне с заданной степенью точности. Стабилизатор в схемах размещается после выпрямителей и перед нагрузкой.

Классифицируются стабилизаторы

–по стабилизируемому параметру (ток или напряжение)

–по способу стабилизации (параметрические и компенсационные)

В параметрических используются полупроводниковые приборы, ВАХ которых имеют участок, на котором ток или напряжение практически не изменяются.

Для стабилизации напряжения используются стабилитроны, которые подключаются параллельно сопротивлению нагрузки. Для стабилизации тока используются биполярные или полевые транзисторы, и подключаются последовательно сопротивлению нагрузки.

R_ОГР - определяет номинальный режим работы.

Структурная схема компенсационного стабилизатора:

БС – блок сравнения, в нем сравнивается U_ВЫХ и опорным напряжением U_ОП

У – усилитель

РЭ – регулирующий элемент.

Основной его параметр – коэффициент стабилизации.

46. Усилительный каскад с общим эмиттером: линия нагрузки, выбор рабочей точки.

Полярность включения источника УК определяется типом транзистора. Резистор R_к выбирается таким образом, чтобы обеспечить требуемые усиления. Но режим работы транзистора не должен превышать граничных значений (Ikmax, Ukmax, Pkmax). Резистор Rб обеспечивает требуемую работу транзистора в режиме покоя, т.е. в отсутствие входного сигнала

Rб=(Eк-Uбп)/Iбп; Uбп и Iбп – напряжение и ток базы транзистора в рабочей точке П.

Конденсатор С1 служит для включения источника переменной входной ЭДС в цепь базы. Конденсатор С2 выделяет из коллекторного напряжения транзистора переменную составляющую, которая является выходным сигналом и передается на нагрузочное устройство Rн.

Электрическое состояние выходной цепи описывается вторым законом Кирхгофа: Uк+IкRк=Eк;

Uк=Eк-IкRк (*)

Для решения (*) используют графаналитический метод: рассматривается ВАХ транзистора и резистора Rк и находится совместное решение

Eк и Rк известны. При Iк=0 -> Uк=Eк – холостой ход; при Uк=0 -> Iк=Eк/Rк – короткое замыкание.

Любая точка пересечения характеристики может быть выбрана в качестве рабочей точки и дает нам решение уравнения (*). По точкам пересечения нагрузочной прямой с характеристиками транзистора можно построить переходную характеристику – зависимость тока коллектора Iк от тока базы Iб. В диапазоне между крайними точками эта характеристика будет линейная. За пределами точки В характеристика нелинейная. Для анализа работы усилительного каскада используются кривые выходной и переходной характеристики, входная характеристика, повернутая на 90⁰. Если входной сигнал выходит за пределы линейного участка переходной характеристики, то он претерпевает искажения, которые называются нелинейные. Для того, чтобы нелинейные искажения отсутствовали или были минимальными рабочую точку П выбирают приблизительно посередине линейного участка. Рабочая точка П определяет работу транзистора в режиме покоя, т.е. в отсутствие входного сигнала (параметры по постоянному току). Через точку П проходит ось времени, относительно которой изменяется входной и выходной сигнал (переменные токи и напряжения).

47. Температурная стабилизация работы усилителя.

Параметры транзисторов зависят от температуры. С ростом температуры увеличивается коллекторный ток транзистора, ВАХи смещаются и следовательно смещается рабочая точка. Это приводит к тому , что изменяется коллекторное напряжение и изменяется значение коэффициента усиления, т.е. работа усилительного каскада становится нестабильной.

Для стабилизации режима работы усилителя в условиях изменения температуры в схему включают дополнительные элементы. При этом различают два метода:

1. эмиттерная температурная стабилизация

2. коллекторная температурная стабилизация

Эмиттерная температурная стабилизация:

Uбэ=(EкR’б)/(R’б+R”б) – RэIэ; t увеличивается - Iк -> Iэ=Iк+Iб -> Uбэ -> Iб(в соответствие с входными характеристикам) -> Iк(в соответствие с переходной характеристикой)

Емкость конденсатора Сэ подбирается таким образом, чтобы сопротивление конденсатора было значительно меньше сопротивления резистора (Xсэ<<Rэ). Сэ необходим для того, чтобы не менялся режим работы выходной цепи усилителя по переменному току, т.е. не менялся выходной сигнал и коэффициент усиления

Коллекторная температурная стабилизация

R’б=R”б T-образный фильтр

t увеличивается - Iк -> Uк -> Uб -> Iб-> Iк

Сопротивление конденсатора Сф значительно меньше общего сопротивления базы. Xсф<<Rб = R’б+R”б

Сф подключается для того, чтобы не изменялся режим работы по переменному току и чтобы переменная составляющая коллекторного напряжения не попадала на цепь базы.

53. Сумматор, интегратор, дифференциальный усилитель на базе ОУ.