МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Київський національний університет технологій та дизайну

Факультет ТОСУ

Кафедра електроніки та електротехніки

Конспект лекцій з дисципліни

“Електротехніка та основи електроніки”

(Електронна версія)

Кількість годин за планом – 36

Кількість тем за навчальною програмою – 14

Конспект склав – к.ф.м.н., доцент кафедри

електроніки та електротехніки

Клапченко Г.М.

Київ 2006

Перелік тем

за навчальною програмою

з дисципліни “Електротехніка та основи електроніки”

№	Назва теми
1	Лінійні електричні кола постійного струму.
	Елементи кіл. Закони Ома і Кірхгофа та їх
	використання для аналізу схем.
2	Методи розрахунку простих та складних
	електричних кіл постійного струму. Баланс потужностей. Потенційна діаграма.
3	Нелінійні електричні кола постійного струму та їх розрахунок.
4	Лінійні електричні кола змінного струму. Рівняння електричного стану кіл з послідовним
	та паралельним з'єднанням елементів. Резонансні явища.
5	Потужність в колах змінного
	струму. Коефіцієнт потужності і методи
	компенсації реактивної потужності.
6	Трифазні кола. З’єднання елементів трифазного кола зіркою та трикутником.
	Потужність в трифазних колах.
7	Періодичні несинусоїдальні кола та їх розрахунок.
8	Магнітні кола, їх основні параметри і рівняння.
	Трансформатори. Параметри, характеристики
	та області застосування.
9	Асинхронні машини. Конструкція, принцип
	дії, основні характеристики, особливості
	експлуатації. Способи регулювання швидкості.
10	Машини постійного струму. Конструкція,
	принцип дії, основні параметри і
	характеристики.
	Способи регулювання швидкості.
11	Елементна база електронних пристроїв і
	систем. Напівпровідникові діоди, біполярні
	і польові транзистори, тиристори. Принцип дії і
	характеристики.
12	Пристрої енергетичної електроніки: випрямлячі,
	фільтри, інвертори, конвертори, перетворювачі
	частоти. Стабілізатори напруги.
13	Електронні пристрої. Підсилювачі.
	Класифікація. Принцип дії, параметри,
	характеристики.
	Зворотні зв’язки в підсилювачах.
14	Пристрої імпульсної техніки. Логічні елементи.

Зміст

1.Електричні кола постійного струму 7

1.1. Основні поняття 7

1.2. Величини електричного кола 8

1.3. Прийняті позначення величин для кола постійного струму 8

1.4. Умовні позначення елементів 8

9

1.5. Види електричних схем 9

1.6.Структурний аналіз електричних кіл 9

1.7. Види з’єднання резисторів 10

1.8. Існуючі типи задач розрахунку електричних кіл 12

1.9. Закони та формули для електричних кіл постійного струму 12

1.10. Розрахунок електричних кіл постійного струму класичним методом 13

Приклади розв'язку задач 14

1.11. Еквівалентні взаємні перетворення “трикутника” і “зірки” 16

1.12. Побудова потенційних діаграм 18

1.13. Методи розрахунку складних електричних кіл постійного струму 19

1.13.1.Метод контурних струмів 19

1.13.2. Метод суперпозицій 21

21

1.13.3.Метод вузлових потенціалів 22

1.13.4. Метод еквівалентного генератора (або еквівалентного активного двополюсника) 24

2.Лінійні електричні кола однофазного синусоїдального струму 26

2.1.Змінний струм: основні поняття. Галузі застосування змінного струму 26

2.2. Основні параметри змінного синусоїдального струму 27

2.3.Деякі відомості про комплексні числа 28

2.4. Елементи електричних кіл змінного струму 29

2.5. Способи зображення синусоїдальних величин 30

2.6. Закони Ома і Кірхгофа в комплексній формі 33

2.7. Елементарні кола змінного струму з ідеальними елементами – резистором, котушкою індуктивності та конденсатором. Співвідношення між струмом і напругою 34

2.8. Елементарні кола змінного струму з послідовно з’єднаними ідеальними елементами –резистором, конденсатором, котушкою індуктивності 35

2.9. Побудова векторних діаграм для кола з послідовно з’єднаними елементами 37

2.10. Трикутник напруг і опорів 39

2.11. Електричне коло з паралельним з’єднанням елементів 39

2.12. Побудова векторних діаграм для кола з паралельно з’єднаними елементами 40

2.13. Резонанс струмів 41

2.14. Трикутники струмів і провідності 41

42

2.15. Потужність в колах змінного струму: активна, реактивна і повна потужності. Трикутник потужності 42

2.16. Коефіцієнт потужності. Засоби компенсації реактивної потужності 43

2.17. Баланс потужностей для кола змінного струму 44

2.18. Змішане з’єднання R, L, C елементів 45

45

3.Трифазні кола змінного струму 46

3.1. Галузі застосування трифазного змінного струму. Найпростіший трифазний генератор. Система трьох ЕРС 46

3.2. З’єднання обмоток генератора зіркою і трикутником. 47

Види з’єднання навантажень в трифазному колі 47

3.3. Види навантаження в трифазному колі 48

3.4. З’єднання фаз джерела й приймача зіркою. Основні поняття 48

3.5. З’єднання фаз джерела й приймача зіркою при різних видах навантаження 49

3.6. Обрив лінійного проводу 52

3.7.З’єднання споживачів трикутником, симетричне та несиметричне навантаження 52

3.8. Обрив лінійного проводу 53

3.9. Активна , реактивна та повна потужності трифазного кола 54

3.10. Засоби вимірювання активної потужності трифазної системи 55

4. Магнітні кола та їх основні параметри 58

4.1. Магнітні кола: основні поняття 58

4.2. Властивості та характеристики феромагнітних матеріалів 59

4.3. Основні параметри магнітних кіл 62

4.4. Закони Ома і Кірхгофа для магнітних кіл 65

5.Електромагнітні пристрої 66

5.1. Трансформатори 66

5.1.1.Конструкція, параметри та класифікація трансформаторів 66

5.1.2. Класифікація трансформаторів 67

5.1.3. Використання трансформаторів для передачі електроенергії 67

5.1.5. Принцип дії двообмоточного однофазного трансформатора 69

5.1.6. Енергетичні втрати в трансформаторі. Коефіцієнт корисної дії (ККД) трансформатора 70

5.1.7. Режими роботи трансформатора 71

5.1.8. Схема заміщення трансформатора 73

74

5.1.9. Рівняння електричної рівноваги трансформатора 75

5.1.10. Векторна діаграма трансформатора 75

5.1.11. Робочі характеристики трансформатора 76

5.1.12. Типи і застосування трансформаторів 77

5.1.12.1. Трифазні трансформатори 77

5.1.12.2. Автотрансформатор 78

5.1.12.3.Вимірювальні трансформатори 79

5.2.Трифазний асинхронний електродвигун з короткозамкненим ротором 81

Вступ 81

5.2.1. Конструкція трифазного асинхронного двигуна 81

5.2.2. Умовне позначення асинхронного двигуна 84

на електричних схемах 84

5.2.3. Принцип дії асинхронного двигуна 84

5.2.4. Пуск трифазного асинхронного двигуна 85

5.2.5. Реверс двигуна 87

5.2.6. Енергетична діаграма ТАД та його ККД 88

5.2.7. Реактивна потужність і коефіцієнт потужності двигунів 89

5.2.8. Механічна характеристика ТАД: n₂ = f(М) 90

5.2.9. Побудова механічної характеристики М = f(s) 92

5.2.10. Способи зміни кількості оборотів ТАД: 93

5.2.11. Робочі характеристики ТАД 94

5.2.12. Режими роботи ТАД 95

5.2.13. Гальмування двигуна 96

5.3.Електричні машини постійного струму 97

Вступ 97

5.3.1.Принцип дії машин постійного струму 97

5.3.2.Будова машин постійного струму 98

5.3.3. ЕРС якоря генератора 101

5.3.4. Типи генераторів за способом збудження головного магнітного поля 102

5.3.5. Генератори з незалежним збудженням. Основні характеристики 103

5.3.6. Генератори з паралельним збудженням. Основні характеристики 105

5.3.7. Генератори послідовного збудження 107

5.3.8. Генератори змішаного збудження 107

5.3.9.Двигуни постійного струму, їх будова та принцип роботи 109

5.3.10. Струм якоря й частота обертання двигуна постійного 110

струму 110

5.3.11. Пуск, зупинка й реверс двигунів постійного струму 111

5.3.12. Двигуни з паралельним збудженням 112

5.3.13. Регулювання частоти обертання шунтових двигунів 115

5.3.14. Двигуни з послідовним збудженням 117

5.3.15. Двигуни зі змішаним збудженням 118

6. Елементна база електронних пристроїв і систем. Принцип дії та характеристики 119

6.1.Електровакуумні прилади 119

6.2. Фотоелектронні прилади 121

6.3. Напівпровідникові елементи 125

6.3.1. Р-n- перехід 125

6.3.2.Напівпровідникові діоди, їх будова, характеристики 128

6.3.3.Стабілітрон 129

6.3.4.Транзистор 130

6.3.4.1.Біполярний транзистор 130

6.3.4.2.Схеми включення біполярного транзистора 132

6.3.4.3.Вольт-амперні характеристики біполярного транзистора 134

6.3.4.4.Режими роботи біполярного транзистора 135

6.3.5.Тиристор 136

Рис. 15.10 136

6.3.6.Уніполярні транзистори 138

6.3.6.1. Будова уніполярного транзистора 138

6.3.6.2. Принцип роботи польового транзистора з керуючим р-n- переходом 141

6.3.7. Випрямлячі та їх класифікація 142

6.3.7.1. Однофазний однопівперіодний випрямляч без фільтру, 142

його параметри та зовнішня характеристика 142

6.3.7.2. Мостова схема двопівперіодного однофазного випрямляча без фільтру 144

6.3.7.3. Багатофазні випрямлячі 145

6.3.8. Фільтри 146

6.3.8.1. Ємнісний фільтр 146

6.3.8.2. Індуктивний фільтр 147

6.3.8.3. Складні фільтри 148

6.3.9. Інші електронні перетворювальні пристрої 148

6.4.Електронні пристрої: підсилювачі 148

6.4.1.Однокаскадний підсилювач на біполярному транзисторі з Re – зв’язком 150

6.4.2.Робота підсилювача в динамічному режимі (робочий режим роботи підсилювача) 152

6.4.3.Підсилювачі постійного струму 158

6.4.3.1. Диференціальний підсилювач 159

6.4.3.2. Операційний підсилювач 162

6.5.Імпульсні електронні пристрої 164

6.5.1. Загальні відомості 164

6.5 2. Ключовий режим роботи біполярних транзисторів 164

6.5.3. Мультивібратор 166

6.5.4. Тригер 167

6.5.5. Логічні елементи 169

6.5.5.1. Логічні елементи, їх схематичне позначення. Таблиця істинності 169

6.5.5.2. Найпростіші схеми реалізації логічних елементів 171

Матеріал для самостійної роботи студента 171

1. Нелінійні кола постійного струму 172

1.1.Загальні визначення. Статичний та динамічний опори нелінійних елементів 172

1.2. Графоаналітичний метод розрахунку нелінійних кіл 175

Це рівняння в координатах u і i представляє пряму АВ: якщо І=0, то U₂= E - точка – А, і якщо U₂= 0,то І=Е/r₁ – точка В. Робоча точка С знаходиться на перетині вольт - амперної характеристики нелінійного елемента та прямої АВ, що визначає рівняння кола. 177

1.3. Аналітичний метод розрахунку нелінійних кіл 177

2. Електричні кола несинусоїдного струму 177

2.1. Визначення періодичних несинусоїдних струмів та напруг 177

177

2.2. Розкладання періодичних функцій в ряд Фур'є 178

Література 179

1.Електричні кола постійного струму

1.1. Основні поняття

Електричним струмом називаємо упорядкований рух носіїв електричних зарядів. Постійний струм - струм, який не змінюється з часом

ні за напрямком, ні за величиною.

Електричне коло – це сукупність джерел живлення та споживачів електричної енергії, з’єднаних між собою тілами або середовищами, що забезпечують протікання електричного струму.

Джерелами електричної енергії є пристрої, які перетворюють інші види енергії в електричну (хімічну –в акумуляторах, сухих батареях; механічну – в електромеханічних генераторах). Пристрої, що споживають електричну енергію, називаються приймачами електричної енергії або навантаженням. Споживачі перетворюють електричну енергію в інші види енергії.

Кожен пристрій електричного кола має назву елемента електричного кола. Самим розповсюдженим елементом електричного кола є резистор, який характеризується таким параметром, як опір. Опір резистора (R) характеризує спроможність елемента перетворювати електричну енергію на теплову. Іноді замість поняття опору вживається поняття провідності. Провідність (g) – це величина зворотна опору: g = 1/ R . Опір вимірюється в Омах (Ом), провідність – у Сименсах (См).

1.2. Величини електричного кола

До величин електричного кола належать:

• сила струму;

• напруга на елементах;

• електрорушійна сила.

Умовно-додатні напрями струму, напруги та ЕРС визначаються:

• умовно-додатний напрям струму(або просто напрям струму) - це напрям руху позитивних зарядів;

• умовно-додатний напрям напруги (або просто напрям напруги) - це напрям зменшення потенціалу;

• умовно-додатний напрям ЕРС (напрям ЕРС) – це напрям дії сторонніх сил на додатний заряд у джерелі живлення.

Додатні напрями струмів, напруг та ЕРС на схемах позначаються стрілками.

1.3. Прийняті позначення величин для кола постійного струму

І – сила струму (одиниця виміру – Ампер);

U – напруга (одиниця виміру – Вольт);

Е – електрорушійна сила джерела живлення (одиниця виміру – Вольт).

1.4. Умовні позначення елементів

Г рафічне зображення електричного кола називається схемою. На схемах елементи кола позначаються наступним чином:

1.5. Види електричних схем

Для зображення електричного кола використовують:

• ескізну схему;

• принципову;

• схему заміщення (еквівалентну).

Ескізне зображення електричного кола є наочним, але таку схему неможливо розрахувати.

Графічне зображення електричного кола, складеного з умовних позначень елементів, називається принциповою. Принципова схема електричного кола показує призначення всіх елементів та їх взаємодію, але, склавши тільки таку схему кола, не можна розрахувати його режим роботи. Для того, щоб виконати розрахунок, необхідно кожен з елементів представити схемою заміщення, тобто скласти схему заміщення.

Приклад

1.6.Структурний аналіз електричних кіл

При зображенні електричного кола у вигляд схеми вводять поняття вузла, гілки, контуру, незалежного контуру.

Вузол - точка схеми, в якій сходяться три і більше гілок.

Гілка –ділянка кола, розташована між двома вузлами, по елементам якої тече однаковий струм.

Контур – будь-який замкнений шлях електричного кола.

Незалежний контур – контур, який відрізняється від будь-якого іншого хоча би однією новою гілкою. Кількість незалежних контурів визначається за формулою .

Метою структурного аналізу схеми є визначення кількості вузлів n, гілок m і незалежних контурів l.

Приклад (рис.1.2) :