Получение переменного тока. Электрические характеристики промышленной цепи.

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 4

Как известно, сила тока в любой момент времени пропорциональна ЭДС источника тока (закон Ома для полной цепи). Если ЭДС источника не изменяется со временем и остаются неизменными параметры цепи, то через некоторое время после замыкания цепи изменения силы тока прекращаются, в цепи течет постоянный ток. Однако в современной технике широко применяются не только источники постоянного тока, но и различные генераторы электрического тока, в которых ЭДС периодически изменяется. При подключении в электрическую цепь генератора переменной ЭДС в цепи возникают вынужденные электромагнитные колебания или переменный ток.

Простейший генератор переменного тока представляет собой катушку, которая вращается между полюсами магнитов (рис). Вследствие явления электромагнитной индукции в катушке индуцируется переменная ЭДС. Концы провода катушки подключаются к кольцам, контактные щетки снимают с колец переменное напряжение и передают его потребителю.

Переменный ток – это периодические изменения силы тока и напряжения в электрической цепи, происходящие под действием переменной ЭДС от внешнего источника.

Переменный ток обеспечивает работу электрических двигателей в станках на заводах и фабриках, приводит в действие осветительные приборы в наших квартирах и на улице, холодильники и пылесосы, отопительные приборы и т.п. Частота колебаний напряжения в сети равна 50 Гц. Такую же частоту колебаний имеет и сила переменного тока. Это означает, что на протяжении 1 с ток 50 раз поменяет свое направление. Частота 50 Гц принята для промышленного тока во многих странах мира. В США частота промышленного тока 60 Гц.

2. Полупроводниковый диод. Назначение. Принцип действия. Устройство. Работа.

Полупроводниковый диодпредставляет собой контактное соединение полупроводников двух типов (р и n – тип). Полупроводниковый диодпредназначендля выпрямления переменного тока.

Принцип действия полупроводникового диода основан на работер –n – перехода.

Электроны из полупроводника n – типа вследствие диффузии переходят в область р – типа. Дырки из области р – типа переходят в область n – типа. В тонком пограничном слое полупроводника n – типа возникает положительный заряд, в области полупроводника р – типа – отрицательный. Между этими слоями образуется потенциальный барьер, препятствующий дальнейшей диффузии электронов и дырок. Этот слой называется запирающим р –n – переходом

Устройство:

Промышленность выпускает германиевые, кремневые, селеновые и меднозакисные диоды. Германиевые и кремниевые диоды изготавливают двух типов: точечные и плоскостные. Точечный германиевый диод изображен на рисунке.

1. Изолятор

2. Корпус

3. Вывод анода

4. Таблетка индия

5. Кристалл германия

6. Кристаллодержатель

7. Вывод катода.

Работа: Если на выводы диода подать прямое напряжение (к области р – типа +; к области n – типа -- ), то через

р – n – переход будет протекать электрический ток. Диод открыт. Если на выводы диода подать обратное напряжение (к области р – типа -; к области n – типа +), то р – n – переход не будет пропускать электрический ток. Диод закрыт.

Билет №11

1. Катушка индуктивности в цепи переменного тока. Векторная диаграмма. Закон Ома.

Индуктивность влияет на силу переменного тока в цепи. Объясняется это самоиндукцией. При подключении катушки к источнику постоянного напряжения сила тока в цепи нарастает постепенно. Возникающее при нарастании силы тока вихревое электрическое поле тормозит движение электронов. Лишь по прошествии некоторого времени сила тока достигает наибольшего значения, соответствующего данному постоянному напряжению. Если напряжение быстро меняется, то сила тока не будет успевать достигать тех установившихся значений, которые она приобрела бы с течением времени при постоянном напряжении, равном максимальному значению переменного напряжения. Следовательно, максимальное значение силы переменного тока (его амплитуда) ограничивается индуктивностью L цепи и будет тем меньше, чем больше индуктивность и чем больше частота приложенного напряжения.

Колебания напряжения на катушке индуктивности опережают колебания силы тока на π /2, или, что то же самое, колебания силы тока отстают по фазе от колебаний напряжения на π /2. В момент, когда напряжение на катушке достигает максимума, сила тока равна нулю. В момент, когда напряжение становится равным нулю, сила тока максимальна по модулю.

Отношение амплитуды колебаний напряжения на катушке к амплитуде колебаний силы тока в ней называется индуктивным сопротивлением (обозначается X_L):

Связь амплитуды колебаний напряжения на концах катушки с амплитудой колебаний силы тока в ней совпадает по форме с выражением закона Омадля участка цепи постоянного тока:

В отличие от электрического сопротивления проводника в цепи постоянного тока, индуктивное сопротивление не является постоянной величиной, характеризующей данную катушку. Оно прямо пропорционально частоте переменного тока. Построим векторную диаграмму для цепи с индуктивным сопротивлением.

2. Схемы выпрямления.

Выпрямитель – статический преобразователь переменного тока в постоянный. В выпрямителях диоды соединяют по определенным схемам.

Двухполупериодная схема выпрямления.

В часть периода, когда ЭДС вторичной обмотки направлена снизу вверх, точка а и анод диода Д₁ имеют положительный потенциал, ток проходит по цепи через точки: среднюю точку трансформатора О, точка а, диод Д₁, сопротивление нагрузки R_н,, точка О.

При изменении направления ЭДС вторичной обмотки положительный потенциал имеет точка b и ток протекает через точки: среднюю точку трансформатора О, точку b, диод Д₂, сопротивление нагрузки R_н,, точку О.

Таким образом через нагрузку течет ток водного направления. Однако на выходе выпрямителя напряжение и ток имеют пульсирующее значение (смотри график).

Однофазная мостовая схема выпрямления. Схема содержит четыре диода. К одной диагонали моста подключается вторичная обмотка трансформатора, к другой - нагрузка.

При направлении ЭДС вторичной обмотки снизу вверх точка а имеет положительный потенциал и ток проходит по цепи: вторичная обмотка трансформатора, точка а, точка А, диод Д₁, точка Б, сопротивление нагрузки R_н_,точка Г, диод Д₃, точка В, точка bвторичной обмотки.

При изменении направления ЭДС вторичной обмотки точка bимеет положительный потенциал и ток проходит по цепи: вторичная обмотка трансформатора, точка b, точка В, диод Д₂, точка Б, сопротивление нагрузки Rн, точка Г, диод Д₄, точка А, точка а вторичной обмотки.

Таким образом, ток в нагрузке не меняет направления, но изменяется по величине. Кривые изменения тока и напряжения имеют такой же вид как и в двухполупериодной схеме выпрямления.

Трехфазная схема выпрямления. Три диода анодами соединены с началами фаз трехфазной вторичной обмотки. Катоды образуют общую точку, являющуюся плюсовым полюсом на выходе выпрямителя; минусовой полюс – средняя точка вторичной обмотки трансформатора. В любой момент будет открыт тот диод, напряжение на аноде которого будет наиболее положительно. Напряжение на нагрузке будет представлять огибающую графиков напряжений в фазах вторичной обмотки, сдвинутых на треть периода (смотри график.

Билет № 12

1. Конденсатор в цепи переменного тока. Векторная диаграмма. Закон Ома.

Рассмотрим процессы, протекающие в электрической цепи переменного тока с конденсатором. Если подключить конденсатор к источнику постоянного тока, то в цепи возникнет кратковременный импульс тока, который зарядит конденсатор до напряжения источника, а затем ток прекратится. Если заряженный конденсатор отключить от источника постоянного тока и соединить его обкладки с выводами лампы накаливания, то конденсатор будет разряжаться, при этом наблюдается кратковременная вспышка лампы.

При включении конденсатора в цепь переменного тока процесс его зарядки длится четверть периода. После достижения амплитудного значения напряжение между обкладками конденсатора уменьшается и конденсатор в течение четверти периода разряжается. В следующую четверть периода конденсатор вновь заряжается, но полярность напряжения на его обкладках изменяется на противоположную и т.д. Процессы зарядки и разрядки конденсатора чередуются с периодом, равным периоду колебаний приложенного переменного напряжения.

Как и в цепи постоянного тока, через диэлектрик, разделяющий обкладки конденсатора, электрические заряды не проходят. Но в результате периодически повторяющихся процессов зарядки и разрядки конденсатора по проводам, соединенным с его выводами, течет переменный ток. Лампа накаливания, включенная последовательно с конденсатором в цепь переменного тока, кажется горящей непрерывно, так как человеческий глаз при высокой частоте колебаний силы тока не замечает периодического ослабления свечения нити лампы.

Следовательно, колебания напряжения на обкладках конденсатора в цепи переменного тока отстают по фазе от колебаний силы тока на π /2 или колебания силы тока опережают по фазе колебания напряжения на π /2. Это означает, что в момент, когда конденсатор начинает заряжаться, сила тока максимальна, а напряжение равно нулю. После того как напряжение достигает максимума, сила тока становится равной нулю и т.д.

Отношение амплитуды колебаний напряжения на конденсаторе к амплитуде колебаний силы тока называют емкостным сопротивлением конденсатора (обозначается Х_C):

Связь между амплитудным значением силы тока и амплитудным значением напряжения по форме совпадает с выражением закона Ома для участка цепи постоянного тока, в котором вместо электрического сопротивления фигурирует емкостное сопротивление конденсатора:

Емкостное сопротивление конденсатора, как и индуктивное сопротивление катушки, не является постоянной величиной. Оно обратно пропорционально частоте переменного тока. Построим векторную диаграмму.

2. Сглаживающие фильтры.

Выпрямленное напряжение на выходе выпрямителя имеет пульсацию. Пульсация напряжения оказывает вредное влияние – увеличивает потери, создает помехи и т.д. Для уменьшения пульсации на выходе выпрямителя устанавливают сглаживающие фильтры.

Фильтры могут быть емкостные, индуктивные, индуктивно-емкостные и другие (смотри схемы).

В емкостном фильтре конденсатор включен параллельно нагрузке и напряжение на конденсаторе равно напряжению на нагрузке. Когда диод открыт, конденсатор заряжается, напряжение на нагрузке растет. Когда диод закрыт, конденсатор разряжается на нагрузку и напряжение падает. Пульсация уменьшается и становится тем меньше, чем больше емкость конденсатора (смотри график).

В индуктивных фильтрах сглаживание пульсации напряжения достигается тем, что индуктивное сопротивление катушки много больше сопротивления нагрузки.

Билет №13

1. Цепь переменного тока, содержащая активное и емкостное сопротивление. Векторная диаграмма. Закон Ома.

По цепи, содержащей активное и емкостное сопротивление, протекает ток, изображенный на векторной диаграмме вектором Î, расположенном горизонтально. Ток, проходя по активному сопротивлению, создает падение напряжения Вектор называется активным падением напряжения. Проходя по емкостному сопротивлению Х_с ток создает емкостное падение напряжение U_c = I ∙ Хс. Емкостное напряжение отстает от тока на угол 90⁰ в сторону отставания по часовой стрелке (вниз). Напряжение цепи равно геометрической сумме векторов напряжений на резисторе и конденсаторе. Вектор тока опережает напряжение на угол φ. Вектор общего напряжения является гипотенузой треугольника Оаб. Используя теорему Пифагора найдем общее напряжение цепи:

Выражение называется полным сопротивлением цепи. Закон Ома будет иметь вид:

Угол сдвига фаз между током и напряжением φ буде определяться из треугольника сопротивлений:

2. Транзистор. Схемы включения транзисторов.

Транзисторэто полупроводниковый прибор с двумя p-n – переходами. Назначение транзистора: усиление и генерирование электрических колебаний

Устройство
Транзистор состоит из пластины кремния или германия, в которую встроены три области: эмиттер – область, испускающая заряды (электроны, дырки); коллектор – область, собирающая заряды; база – средняя область, основание.

Работа транзистора n-p-n – типа:

К левому р-n – переходу прикладывается напряжение эмиттер база в прямом направлении (сопротивление р-n – перехода мало). К правому р-n – переходу прикладывается напряжение база-коллектор в обратном направлении (сопротивление р-n – перехода большое)

Схемы включения транзисторов:

Схема с общей базой (ОБ): входное напряжение – Э-Б (сопротивление мало), нагрузка и ИП – К-Б (сопротивление большое), приращение напряжения на входе вызывает увеличение тока эмиттера и тока коллектора, через источник входного сигнала проходит весь ток эмиттера и усиления по току не происходит, применяется для усиления мощности и напряжения.

Схема с общим эмиттером (ОЭ): входное напряжение – Э-Б (сопротивление большое); нагрузка и ИП – Э-К (сопротивление очень большое); применяется для усиления мощности, напряжения и тока (усиление по току от 10 до 200.

Схема с общим коллектором (ОК): входное напряжение – К-Б (сопротивление большое); нагрузка и ИП – Э-Б (сопротивление мало); применяется для согласования каскадов усиления или нагрузки с усилителем.

Устройство плоскостного германиевого транзистора: кристаллодержатель; коллекторный переход; база (Ge); вывод базы; вывод эмиттера; эмиттер (In); эмиттерный переход; коллектор (In); вывод коллектора.

Билет №14

1. Цепь переменного тока, содержащая активное и индуктивное сопротивление. Векторная диаграмма. Закон Ома.

По цепи, содержащей активное и индуктивное сопротивление, протекает ток, изображенный на векторной диаграмме вектором Î, расположенном горизонтально. Ток, проходя по активному сопротивлению, создает падение напряжения Вектор называется активным падением напряжения. Проходя по индуктивному сопротивлению Х_L ток создает емкостное падение напряжение U _L = I ∙ Х_L. Индуктивное напряжение опережает ток на угол 90⁰ в сторону опережения по часовой стрелке (вверх). Напряжение цепи равно геометрической сумме векторов напряжений на резисторе и катушке. Вектор тока отстает от напряжения на угол φ. Вектор общего напряжения является гипотенузой треугольника Оаб. Используя теорему Пифагора найдем общее напряжение цепи:

Выражение называется полным сопротивлением цепи. Закон Ома будет иметь вид:

Угол сдвига фаз между током и напряжением φ буде определяться из треугольника сопротивлений:

2. Генератор на транзисторе.

Генератор на транзисторе – система, в которой возникают незатухающие высокочастотные синусоидальные колебания. Генератор на транзисторе содержит колебательный контур с конденсатором емкостью С и катушкой индуктивностью L, источник энергии и транзистор.

Устройство:

1. Источник энергии, за счет которого поддерживаются незатухающие колебания (источник постоянного напряжения).

2. Колебательная система, т. е. та часть автоколебательной системы, в которой непосредственно происходят колебания (колебательный контур).

3. Устройство, регулирующее поступление энергии от источника в колебательную систему, — «клапан» (транзистор).

4. Устройство, обеспечивающее обратную связь, с помощью которой колебательная система управляет «клапаном» (индуктивная связь катушки контура с катушкой в цепи эмиттер — база).

Работа генератора.

Если конденсатор колебательного контура заряжен, то в контуре возникнут затухающие колебания. В конце каждого периода колебаний заряд на пластинах конденсатора имеет меньшее значение, чем в начале периода. В результате энергия колебаний уменьшается. Чтобы колебания не затухали, нужно компенсировать потери энергии за каждый период.

Пополнять энергию в контуре можно, подзаряжая конденсатор. Для этого надо периодически подключать контур к источнику постоянного напряжения. Конденсатор должен подключаться к источнику только в те интервалы времени, когда присоединенная к положительному полюсу источника пластина заряжена положительно, а присоединенная к отрицательному полюсу — отрицательно. В контуре незатухающие колебания установятся лишь при условии, что источник будет подключаться к контуру в те интервалы времени, когда возможна передача энергии конденсатору. Для этого необходимо обеспечить автоматическую работу ключа. При высокой частоте колебаний ключ должен обладать огромным быстродействием. В качестве такого ключа и используется транзистор. Колебательный контур соединен последовательно с источником напряжения и транзистором таким образом, что на эмиттер подан положительный потенциал, а на коллектор — отрицательный. При этом переход эмиттер — база (эмиттерный переход) является прямым, но переход база — коллектор (коллекторный переход) оказывается обратным, и ток в цепи не идет. Чтобы в цепи контура возник ток и подзаряжал конденсатор контура при колебаниях, нужно сообщать базе отрицательный относительно эмиттера потенциал, причем в те интервалы времени, когда верхняя пластина конденсатора заряжена положительно, а нижняя — отрицательно.

Таким образом, для компенсации потерь энергии колебаний в контуре, напряжение на эмиттерном переходе должно периодически менять знак в строгом согласовании с колебаниями напряжения на контуре. Необходима обратная связь.

Обратная связь в рассматриваемом генераторе индуктивная. К эмиттерному переходу подключена катушка индуктивностью Lсв, индуктивно связанная с катушкой индуктивностью L контура. Колебания в контуре вследствие электромагнитной индукции возбуждают колебания напряжения на концах первой катушки и тем самым на эмиттерном переходе. Если фаза колебаний напряжения на эмиттерном переходе подобрана правильно, то «толчки» тока в цепи контура действуют на контур в нужные интервалы времени и колебания не затухают.

Генераторы на транзисторах широко применяются во множестве радиотехнических устройств: в радиоприемниках, передающих радиостанциях, усилителях, в современных электронно-вычислительных машинах.

Билет №15

1. Цепь переменного тока, содержащая активное, индуктивное и емкостное сопротивление. Векторная диаграмма. Закон Ома.

Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из последовательно соединенных резистора, конденсатора и катушки. Если к выводам этой электрической цепи приложить электрическое напряжение, изменяющееся по гармоническому закону с частотой ω и амплитудой U_m, то в цепи возникнут вынужденные колебания силы тока с той же частотой и некоторой амплитудой I_m. Установим связь между амплитудами колебаний силы тока и напряжения.

Колебания напряжения на резисторе совпадают по фазе с колебаниями силы тока, колебания напряжения на конденсаторе отстают по фазе на π /2 от колебаний силы тока, а колебания напряжения на катушке опережают по фазе колебания силы тока на π /2. Поэтому можно записать:

где U_Rm, U_Cm и U_Lm – амплитуды колебаний напряжения на резисторе, конденсаторе и катушке.

Амплитуду колебаний напряжения в цепи переменного тока можно выразить через амплитудные значения напряжения на отдельных ее элементах, воспользовавшись методом векторных диаграмм. При построении векторной диаграммы необходимо учитывать, что колебания напряжения на резисторе совпадают по фазе с колебаниями силы тока, поэтому вектор, изображающий амплитуду напряжения U_Rm, совпадает по направлению с вектором, изображающим амплитуду силы тока I_m. Колебания напряжения на конденсаторе отстают по фазе на π /2 от колебаний силы тока, поэтому вектор отстает от вектора на угол 90°. Колебания напряжения на катушке опережают колебания силы тока по фазе на π /2, поэтому вектор опережает вектор на угол 90°.

Из рисунка видно, что амплитуда напряжений на всей цепи равна

Введя обозначение для полного сопротивления цепи переменного тока

выразим связь между амплитудными значениями силы тока и напряжения в цепи переменного тока следующим образом:

Это выражение называют законом Ома для цепи переменного тока.

2. Фотоэлементы.

Фотоэлемент – это полупроводниковый прибор, преобразующий световую энергию в электрическую.

Принцип действия фотоэлемента основан на явлении фотоэффекта.

Фотоэлементы – фоторезисторы представляют собой стеклянную пластину, на которую нанесен тонкий слой полупроводника, покрытый прозрачным лаком для защиты от внешних воздействий. По краям выведены два электрода, фоторезистор помещен в прозрачный корпус. Если на фоторезистор не падает свет, ток в резисторе отсутствует, при попадании на фоторезистор света, в нем возникает ток, величина которого зависит от интенсивности падающего света.

Солнечные батареиимеют запирающий слой между полупроводниками n и p – типа. В этих фотоэлементах под воздействием солнечной энергии возникает ЭДС.

Фотодиод – фотоэлемент с двумя электродами, разделенными n – p – переходом, может работать как с внешним источником питания, так и в генераторном режиме. Фотоэлементы нашли широкое применение в различных областях электроники, автоматики, измерительной технике и т.д.

Билет №16

1. Проводимость полупроводников.

Полупроводникизанимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками. К полупроводникам относятся такие вещества, как германий, мышьяк, селен и др. (всего 12).

В нормальных условиях полупроводники не проводят электрический ток. Это связано с внутренним строением полупроводников. Полупроводник – это кристалл, атомы в котором связаны между собой парно-электронными связями так, что свободных зарядов для образования тока в них нет.

При нагревании или освещении полупроводника, электроны получают дополнительную энергию и разрывают связи с атомами, становятся свободными. На месте незаполненной связи образуется избыточный положительный заряд, который принято называть условной положительной частицей – дыркой.

Таким образом, в полупроводниках имеются два типа носителей заряда: электроны и дырки. Движение электронов называют электронной проводимостью (n – тип), а движение дырок – дырочной проводимостью (р – типа). Проводимость полупроводника такого типа называется собственной.

Для увеличения проводимости полупроводников в них добавляют примеси (полупроводники большей или меньшей валентности).

Если в полупроводник, например германий, добавить примесь большей валентности, например мышьяк, то четыре валентных электрона германия образуют связи с четырьмя валентными электронами мышьяка, а его пятый электрон останется свободным, образуется электронная проводимость (п – тип). Такую примесь называют донором.

Если в полупроводник, например германий, добавить примесь меньшей валентности, например индий, то три валентных электрона германия образуют связи с электронами индия, а на месте четвертой связи образуется дырка, проводимость такого проводника – дырочная (р – тип). Такую примесь называют акцептором.

2. Трехфазная система переменного тока.

Трехфазной системойназывается цепь, в которой действуют три ЭДС одинаковой частоты, но смещенные по фазе на треть периода. В трехфазном генераторе обмотки расположены под углом 120⁰ относительно друг друга и называются фазами А-Х, В-Y, C-Z.

Обмотки генератора соединяют двумя способами: соединение в звезду и в треугольник.

При соединении обмоток в звезду, концы всех фаз соединяют в общую точку, а к началам фаз подсоединяют провода, отводящие энергию в сеть. Эти провода называют линейными, и напряжение между ними так же носит название линейное. От общей точки соединения трех фаз отводится четвертый провод, который называют нулевым. Напряжение между линейным проводом и нулевым называют фазным напряжением. Ток, текущий по фазному проводу называют фазным, а по линейному проводу линейным. Соотношения между линейными и фазными токами и напряжениями имеют вид:

При

⇐ Предыдущая 1 2 34