Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только... [М. Ванюшин] (pdf) читать онлайн
- Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только... [2-е издание, переработанное и дополненное] 14.24 Мб, 353с. скачать: (pdf) - (pdf+fbd) читать: (полностью) - (постранично) - М. Ванюшин
Книга в формате pdf! Изображения и текст могут не отображаться!
[Настройки текста] [Cбросить фильтры]
М. Ванюшин
Занимательная
электроника
и электротехника
для начинающих
и не только...
Книга + виртуальный диск
Издание второе,
переработанное и дополненное
Наука и Техника, СанктПетербург
2017
УДК 621.3
Ванюшин М.
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только... Книга +
виртуальный диск. – Изд. 2-е, перераб. и доп. — СПб.: Наука и Техника, 2017. — 352 с.
ISBN 978-5-94387-871-8
В современном мире выросла роль технических специальностей, связанных с электроникой
и электротехникой. Освоить их самостоятельно станет легче, если есть под рукой будет
хорошая практическая книга-самоучитель.
Электротехника и электроника в книге рассматривается пошагово от самых азов. Если мате
риал каких-то Шагов вам знаком, смело переходите к следующему шагу. В книге нет «теории
ради теории». Изложено лишь самое необходимое, что позволит чувствовать себя уверенно
при практической работе с электротехникой и электроникой. Есть в книге и необходимые
базовые формулы, без которых не понять, как работает электротехника.
А основная часть самоучителя — практика, которую с этой книгой можно легко освоить
самостоятельно в ходе экспериментов. Помогут описания и рисунки практических работ
в домашних условиях при помощи легкодоступных для каждого приборов и материалов.
Книга проиллюстрирована мультимедийными роликами, которые можно бесплатно посмо
треть или скачать с сайта автора книги «Электрокласс» (www.eleczon.ru) в разделе «Основы
электротехники и электроники». Они помогут в освоении материала самоучителя.
Это лучший самоучитель для тех, кто делает первые шаги в освоении практической электро
ники и электротехники.
Автор и издательство не несут ответственности
за возможный ущерб, причиненный в ходе
использования материалов данной книги.
Контактные телефоны издательства
(812) 4127025, 4127026
9 785943 878718
ISBN 978-5-94387-871-8
Официальный сайт: www.nit.com.ru
© Ванюшин М.
© Наука и Техника (оригиналмакет), 2017
ООО «Наука и Техника».
Лицензия № 000350 от 23 декабря 1999 года.
198097, г. СанктПетербург, ул. Маршала Говорова, д. 29.
Подписано в печать
. Формат 70×100 1/16.
Бумага газетная. Печать офсетная. Объем 22 п. л.
Тираж 1000 экз. Заказ №
Отпечатано с готовых файлов заказчика
в АО «Первая Образцовая типография»
филиал «УЛЬЯНОВСКИЙ ДОМ ПЕЧАТИ»
432980, г. Ульяновск, ул. Гончарова, 14
Оглавление
Вместо предисловия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
От автора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
ПЕРВЫЙ ШАГ
Знакомьтесь: КИРПИЧИКИ, из которых состоит электротехника. . . . . . . . . . . 16
Сделаем ПЕРВЫЙ шаг в электронику и электротехнику. В качестве пер
вого шага вы познакомитесь с основами электротехники. Узнаете о про
исхождении электричества. Изучите проводники, диэлектрики, конден
саторы, индуктивности и освоите базовые законы электротехники: Ома
и Кулона. А в завершении приводятся контрольные вопросы, которые
помогут самостоятельно оценить уровень освоения материала.
ВТОРОЙ ШАГ
Познакомимся с ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Сделав ВТОРОЙ шаг, вы познакомитесь с постоянным током. Рассмотрите
зависимости сопротивлений, последовательное, параллельное и сме
шанное соединение, зависимости тока, работу и мощность. Изучите рас
чет цепей и их режимы. Познакомитесь с химическими источниками. И в
завершении — ответите на вопросы для самотестирования.
ТРЕТИЙ ШАГ
А теперь познакомимся с МАГНИТНЫМИ ЯВЛЕНИЯМИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Сделав ТРЕТИЙ шаг, вы познакомитесь с магнитизмом. Рассмотрите
такие вопросы: магниты и их свойства, напряженность магнитного тока,
закон полного тока, взаимодействие проводников с токами, гистере
зис, электромагниты. Освоите вихревые токи, самоиндукцию, энергию
магнитного поля, расчет индуктивности, взаимоиндукцию. И в заверше
нии — ответите на вопросы для самотестирования.
ЧЕТВЕРТЫЙ ШАГ
Начинаем изучать ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
Сделав ЧЕТВЕРТЫЙ шаг, вы познакомитесь с переменным током, кото
рый наиболее широко используется в быту, рассмотрев такие вопросы.
Получение ЭДС. Синусоидальная ЭДС. Активное сопротивление, катушка
индуктивности в цепи переменного тока. Активное, индуктивное и
емкостное сопротивления в цепи переменного тока. Параллельное
соединение реактивных сопротивлений. Резонанс токов. Мощность.
И в завершении — ответите на вопросы для самотестирования.
ПЯТЫЙ ШАГ
Пришла пора изучить ТРЕХФАЗНЫЙ ТОК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
Сделав ПЯТЫЙ шаг, вы познакомитесь с трехфазным током, который эко
номичнее однофазного. Вы будешь знать, что такое трехфазные генера
торы, как нужно производить соединение обмоток, включать нагрузки
в сеть трехфазного тока. Рассмотрите мощность трехфазной цепи, вра
щающееся магнитное поле. И в завершении — ответите на вопросы для
самотестирования.
ШЕСТОЙ ШАГ
Интересно, а как работают ТРАНСФОРМАТОРЫ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
Сделав ШЕСТОЙ шаг, вы познакомитесь с трансформаторами, устрой
ствами, которые снижают или повышают напряжение и ток, развя
зывают цепи. Вам будет понятен их принцип действия, устройство и
работа. Рассмотрите однофазные и трехфазные трансформаторы, авто
трансформаторы, измерительные трансформаторы. Произведете опыты
холостого хода и короткого замыкания. И в завершении — ответите на
вопросы для самотестирования.
СЕДЬМОЙ ШАГ
Будем знакомы: АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
Сделав СЕДЬМОЙ шаг, вы познакомитесь с асинхронными двигателями,
которые отличаются простотой конструкции и обслуживания. Освоите
принцип действия и устройство асинхронного двигателя, его работу под
нагрузкой, вращающий момент и рабочие характеристики. Рассмотрите
пуск в ход, регулирование частоты вращения однофазных и трехфазных
асинхронных двигателей. И в завершении — ответите на вопросы для
самотестирования.
ВОСЬМОЙ ШАГ
Знакомьтесь: СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ. . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Сделав ВОСЬМОЙ шаг, вы изучите синхронные машины (двигатели и
генераторы), скорость вращения рототора в которых определяется
частотой тока сети и числом пар полюсов. Вы рассмотрите принцип
действия и устройство синхронного генератора и двигателя, их работу
под нагрузкой. И в завершении — ответите на вопросы для самотести
рования.
ДЕВЯТЫЙ ШАГ
Как устроены и работают МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА. . . . . . . . . . . . . . . 249
Сделав ДЕВЯТЫЙ шаг, вы познакомитесь с машинами (двигателями и
генераторами) постоянного тока, рассмотрев такие вопросы. Принцип
действия и устройство генератора постоянного тока. Обмотки якорей и
ЭДС постоянного тока. Магнитное поле машины при нагрузке постоян
ного тока. Способы возбуждения генераторов. Характеристики генера
торов постоянного тока. Пуск, характеристики, регулирование частоты
вращения двигателей постоянного тока. Потери и КПД машин постоян
ного тока. И в завершении — ответите на вопросы для самотестирова
ния.
ДЕСЯТЫЙ ШАГ
Знакомтесь: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ. . . . 286
Сделав ДЕСЯТЫЙ шаг, вы познакомитесь с полупроводниковыми прибо
рами (диодами, транзисторами, тиристорами, микросхемами), которые
составляют основу любой электронной схемы. Узнаете вы и о газораз
рядных приборах: что такое ионизация газа и электрический заряд, как
работают фотоэлементы и многое другое. И в завершении — ответите
на вопросы для самотестирования.
ОДИННАДЦАТЫЙ ШАГ
Наконец, мы добрались до рассмотрения
УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОНИКИ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
В ходе финишного шага вы познакомитесь с практическими схемами
типовых устройств электроники: выпрямителями, сглаживающими филь
трами, стабилизаторами, усилителями низкой частоты, генераторами
гармонических колебаний, реле. А в завершении главы сможете отве
тить на вопросы для самотестирования. Теперь вы ПОДГОТОВЛЕННЫЙ
ЭЛЕКТРОТЕХНИК! Поздравляю!
Послесловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
Ответы тестирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
На веб-страницах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
Содержание
Вместо предисловия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
От автора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
ПЕРВЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: КИРПИЧИКИ, из которых состоит электротехника. . . . . .
1.1. Кратко о происхождении электричества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Взаимодействие тел. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Пьезоэффект . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Фотоэффект . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Термоэффект . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2. Проводники и их сопротивление. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Зависимость сопротивления от свойств проводника. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Взаимодействие движущихся электронов
с ионами кристаллической решетки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Зависимость сопротивления от длины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Зависимость сопротивления от площади поперечного сечения. . . . . . . . . . . . .
Реостаты, резисторы, потенциометры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Небольшая задача о резисторах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3. Диэлектрики и емкость. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Диэлектрики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Заряд и разряд конденсатора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Соединение конденсаторов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4. Ваш первый шаг в электронику. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Закон Кулона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Электрический ток и внутреннее сопротивление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5. Вопросы для тестирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
16
16
18
19
20
22
22
ВТОРОЙ ШАГ. Познакомимся с ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1. Зависимости сопротивлений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Зависимость сопротивления от положения движка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Зависимость сопротивления проводника от температуры. . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2. Последовательное соединение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3. Параллельное и смешанное соединение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
О чем нам говорит первый закон Кирхгофа. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Параллельное соединение резисторов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Смешанное соединение сопротивлений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Нелинейные сопротивления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4. Зависимости тока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Зависимость силы тока от напряжения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Зависимость силы тока от сопротивления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5. Расчет цепей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Второй закон Кирхгофа. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Метод эквивалентного генератора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
42
42
43
45
48
48
50
51
52
53
53
56
59
59
60
24
24
25
27
28
28
28
30
32
32
32
34
38
Сложные электрические цепи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Метод узловых напряжений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Метод контурных токов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6. Работа и мощность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Что такое мощность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
О чем нам говорит закон Ленца-Джоуля. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Нагревание проводников электрическим током . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Расчет сечения проводов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.7. Режимы цепи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Характерные режимы работы сети. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Соотношение мощностей в электрической цепи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Расчет мощности и КПД в цепи постоянного тока с переменным
сопротивлением и источником компьютерного блока питания . . . . . . . . . . . . .
2.8. Химические источники. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Первое знакомство. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Первый закон Фарадея. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Второй закон Фарадея. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Гальванические элементы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Аккумуляторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Щелочные аккумуляторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Приведение щелочных аккумуляторных батарей в рабочее состояние . . . . .
Приготовление электролита для щелочных аккумуляторных батарей. . . . . . .
Проверка плотности электролита аккумуляторных батарей. . . . . . . . . . . . . . . . .
Проверка уровня электролита аккумуляторных батарей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Смена электролита щелочных аккумуляторов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Заряд и разряд щелочных аккумуляторных батарей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Контрольно-тренировочный цикл щелочных аккумуляторных батарей. . . . .
Приведение кислотных аккумуляторных батарей в рабочее состояние. . . . .
Приготовление электролита для кислотных аккумуляторных батарей . . . . . .
Заряд и разряд кислотных аккумуляторных батарей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Контрольно-тренировочный цикл кислотных аккумуляторных батарей. . . . .
2.9. Вопросы для тестирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
62
65
66
68
68
70
71
71
73
73
75
77
79
79
80
81
81
84
87
89
89
91
92
92
93
94
95
96
96
97
99
ТРЕТИЙ ШАГ. А теперь познакомимся с МАГНИТНЫМИ ЯВЛЕНИЯМИ. . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.1. Магниты и их свойства. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Первое знакомство. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Магнитное поле электрического тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Магнитное поле соленоида. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Проводник с током в магнитном поле. Магнитная индукция. . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.2. Напряженность магнитного тока. Закон полного тока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Магнитодвижущая сила. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Напряженность магнитного поля. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Магнитная проницаемость. Магнитный поток. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.3. Взаимодействие проводников с токами. Гистерезис. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Магнитные поля вокруг проводников. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Абсолютная магнитная проницаемость. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Электромагнит . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Явление гистерезиса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Коэрцитивная сила. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Петля гистерезиса. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Особенности ферромагнитных материалов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4. Электромагниты. Вихревые токи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Полярность электромагнита. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Электромагнитная индукция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Вихревые токи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5. Самоиндукция. Расчет индуктивности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Что такое самоиндукция. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Самоиндукция в прямолинейных проводниках . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Единицы индуктивности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Расчет самоиндуктивности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Расчет катушек индуктивности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6. Энергия магнитного поля. Взаимоиндукция. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.7. Вопросы для тестирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
114
114
115
116
117
117
118
118
119
123
124
124
125
126
126
127
130
133
ЧЕТВЕРТЫЙ ШАГ. Начинаем изучать ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4.1. Получение ЭДС. Синусоидальная ЭДС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
Получение переменной электродвижущей силы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
Синусоидальная движущая сила. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
4.2. Активное сопротивление, катушка индуктивности
в цепи переменного тока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
Активное сопротивление в цепи переменного тока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
Действующие значения тока и напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
Катушка индуктивности в цепи переменного тока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
4.3. Активное, индуктивное и емкостное сопротивления
в цепи переменного тока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
Цепь переменного тока, содержащая активное
и индуктивное сопротивления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
Емкость в цепи переменного тока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
Цепь переменного тока, содержащая активное
и емкостное сопротивление. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
Цепь переменного тока, содержащая активное, индуктивное
и емкостное сопротивления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
4.4. Параллельное соединение реактивных сопротивлений.
Резонанс токов. Мощность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Параллельное соединение реактивных сопротивлений. Резонанс токов. . . . 155
4.5. Вопросы для тестирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
ПЯТЫЙ ШАГ. Пришла пора изучить ТРЕХФАЗНЫЙ ТОК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
5.1. Трехфазные генераторы. Соединение обмоток. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
Работа трехфазные генераторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
Соединение обмоток генератора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
5.2. Включение нагрузки в сеть трехфазного тока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Включение нагрузки звездой. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Включение нагрузки треугольником . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Защита трехфазной сети предохранителями . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3. Мощность трехфазной цепи. Вращающееся магнитное поле. . . . . . . . . . . . . . . . . .
Мощность трехфазной цепи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Вращающееся магнитное поле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4. Вопросы для тестирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
168
168
170
171
172
172
175
180
ШЕСТОЙ ШАГ. Интересно, а как работают ТРАНСФОРМАТОРЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
6.1. Принцип действия, устройство и работа. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
Общие сведения о трансформаторах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
Принцип действия и устройство трансформатора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
Работа трансформатора под нагрузкой. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
6.2. Трехфазные трансформаторы. Опыты х.х. и к.з.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
Трехфазные трансформаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
Опыты холостого хода и короткого замыкания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
Определение рабочих свойств трансформаторов
по данным опытов х.х. и к.з.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
Опыт холостого хода однофазного трансформатора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
Опыт короткого замыкания однофазного трансформатора. . . . . . . . . . . . . . . . . 199
Опыт нагрузки однофазного трансформатора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
6.3. Автотрансформаторы и измерительные трансформаторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
Автотрансформаторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
Измерительные трансформаторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
6.4. Вопросы для тестирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
СЕДЬМОЙ ШАГ. Будем знакомы: АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
7.1. Принцип действия и устройство асинхронного двигателя. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
Общие сведения об электрических машинах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
Принцип действия электрических машин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
Принцип действия асинхронного двигателя. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
Устройство асинхронного двигателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
7.2. Работа под нагрузкой, вращающий момент и рабочие характеристики
асинхронного двигателя. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
Работа асинхронного двигателя под нагрузкой. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
Вращающий момент асинхронного двигателя. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
Рабочие характеристики асинхронного двигателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
7.3. Пуск в ход и регулирование частоты вращения трехфазных асинхронных
двигателей. Однофазные асинхронные двигатели. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
Пуск в ход асинхронных двигателей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
Двигатели с улучшенными пусковыми свойствами. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
Регулирование частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей. . . 228
Однофазные асинхронные двигатели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
7.4. Вопросы для тестирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
ВОСЬМОЙ ШАГ. Знакомьтесь: СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ. . . . . . . . . . . . 234
8.1. Принцип действия и устройство синхронного генератора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Схема синхронного генератора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Устройство синхронного генератора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
8.2. Работа синхронного генератора под нагрузкой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
8.3. Синхронные двигатели. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
8.4. Вопросы для тестирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
ДЕВЯТЫЙ ШАГ. Как устроены и работают МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА. . . . . . . . . . 249
9.1. Принцип действия и устройство генератора постоянного тока. . . . . . . . . . . . . . . . 249
9.2. Обмотки якорей и ЭДС машины постоянного тока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
9.3. Магнитное поле машины при нагрузке постоянного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
Магнитное поле при нагрузке. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
Коммутация тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
9.4. Способы возбуждения генераторов.
Характеристики генераторов постоянного тока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
Работа машины постоянного тока в режиме генератора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
Способы возбуждения генераторов постоянного тока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
Характеристики генераторов постоянного тока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
9.5. Пуск, характеристики, регулирование частоты вращения
двигателей постоянного тока. Потери и КПД машин постоянного тока. . . . . . 274
Работа машины постоянного тока в режиме двигателя. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
Пуск двигателей постоянного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
Характеристики двигателей постоянного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока. . . . . . . . . . . . 282
Потери и КПД машин постоянного тока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
9.6. Вопросы для тестирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
ДЕСЯТЫЙ ШАГ.
Знакомьтесь: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ. . . . . . . . . . . . . . . . 286
10.1. Первое знакомство с полупроводниковыми приборами. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
Электропроводность полупроводников. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
Полупроводниковые диоды. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
10.2. Транзисторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
Первое знакомство. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
Принцип действия транзистора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
Схемы включения транзисторов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
Характеристики транзистора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
Плоскостной германиевый транзистор. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
Сравнение транзисторов и электронных ламп . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
10.3. Тиристоры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
Первое знакомство. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
Принцип действия тиристора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
Устройство тиристора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
10.4. Ионизация газа и электрический заряд. Фотоэлементы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
Ионизация газа и электрический заряд. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Тлеющий разряд. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Дуговой разряд. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Газотрон. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Фотоэлементы с внешним фотоэффектом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом и с запирающим слоем. . . . . . . .
10.4. Вопросы для тестирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
303
305
306
307
309
311
314
ОДИННАДЦАТЫЙ ШАГ.
Наконец, мы добрались до рассмотрения УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОНИКИ. . . . . . . . . . . . . . 316
11.1. Выпрямители. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
Первое знакомство. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
Схемы соединения вентилей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
Однофазная мостовая схема выпрямления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
Трехфазная схема выпрямления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
Кривые регулируемого выпрямленного напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
11.2. Сглаживающие фильтры. Стабилизаторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
Сглаживающие фильтры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
Стабилизаторы напряжения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
11.3. Усилители низкой частоты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
Назначение и классификация. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
Основные параметры усилителей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
Искажения сигнала. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
Обратная связь. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
Смещение в ламповых усилителях. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
Транзисторные усилители. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
11.4. Генераторы гармонических колебаний. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
11.5. Реле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
11.6. Вопросы для тестирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
Послесловие. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
340
Ответы тестирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
349
На веб-страницах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
350
Ваш индивидуальный
универсальный помощник
Теоретические вопросы в книге иллюстрируются
практическими опытами, которые вы можете проводить
в домашних условиях с использованием простых приборов и электронных компонентов.
Перед вами универсальный измерительный прибор, который
использовался автором книги при проведении опытов. Ознакомтесь с
органами управления этого мультиметра.
Примечание.
Показания приборов при замерах могут отличаться от показаний
на картинках из-за погрешностей самих приборов и "излишних"
сопротивлений проводов (в том числе проводов приборов) и контактов соединений.
вольтм етр
перем енного
тока
вольтм етр
постоянного
тока
табло
DCV
500
200
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
DCA
20
переклю чатель
200 m
2000 m
2000
m
панель для
проверки
транзисторов
200m
2000
k
200
W k
E
E
B
B
C
C
E
E
10 DCA
20k
2000 200
OFF
NPN PNP
вы клю чатель
питания
прибора
м илиам перм етр
постоянного
тока
20m
200
m
килоО м м етр
проверка
элем ентов
питания
FUKE
DT–830B
hFE
ON
10A
10A MAX
V W mA
500VAC
500VDC
200mAmax
COM
ам перм етр
постоянного
тока и его
гнездо
проверка
транзисторов
проверка диода
гнездо для щ упа
полож ительной
полярности
гнездо для щ упа
отрицательной
полярности
Вместо предисловия
«Образование дома? Это смешно!» — скажете вы. Смешного в этом
ничего нет. Да, нелегко без педагога, без наставника. А вы знаете многих учителей, которые знают свое дело «от и до»? А как же они преподают?
Разумеется, преподают с помощью методических и учебных пособий, они всегда под рукой. Прочитал молодой педагог с вечера «материальчик» к предмету, как домашний урок и пошел со шпаргалкой на
следующий день детей учить. Конечно, в процессе работы этот человек станет учителем и может быть не плохим. А станет он им благодаря книгам.
Почему бы нам с вами не попробовать учиться дома? Выгадал
минутку, сел за стол, почитал, сегодня не получилось, завтра продолжил. Есть небольшое «но». Тот педагог доучивался и набирался опыта,
потому что школа — это его основная работа, у него был стимул.
Стимул — это необходимое условие для всех начинаний. Где
взять? Для этого разработаны некоторые уроки и методы обучения.
Начинать надо с выбора профессии, которая вам по душе.
Не имеет значения, молоды вы или нет, учиться никогда не поздно.
Много людей живет до преклонного возраста и жалеют о том, что не
стали учиться тогда, когда думали, что уже поздно.
В 30—40 лет не задумываясь — вперед!
Есть такие моменты: работает человек, работает, время идет, а
работа-то так себе, отпахал рабочее время, думая о прекрасном, да и
ладно. А есть же в каждом стремление к чему-то индивидуальному,
творческому, есть, наконец, мечты.
Подумайте, в каком направлении деятельности вы могли бы совмещать ваши желания с работой, а еще лучше, если работа и была бы
воплощением ваших желаний.
Главным фактором в успехах нашей жизни является состояние
души, уязвимое место, часто бывает причиной неудач и неразумных
поступков.
Психологическое равновесие способствует присутствию радости и
счастья в учебе, в работе, и вообще, в жизни.
Прежде чем вы делаете какое-либо решение, серьезное решение —
«Куда пойти учиться?», «Кем пойти работать?», в первую очередь,
14
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
обращайте внимание на свои ощущения при рассмотрении сущности,
основы, перспективы предмета своего выбора.
Ни в коем случае не должны влиять на ваше сознание месторасположение учебы или работы.
Ни советы (даже друзей, они также могут быть ошибочными), ни
примеры, которые обычно неудачно приводятся, даже зарплата (в
основном зарплата зависит не от сферы деятельности, а от должности, которую вы займете, если будете хорошо учиться и работать) не
помогут.
Можно конечно прислушаться к человеку компетентному, являющемуся примером благополучия, опять же, это — его успехи, это —
ему нравится его деятельность, а где же «Ваше»?
А «Ваше» внутри вас самих.
Вообще, как говорится — «сердце подскажет», но кажется — это
работает не всегда, а скорее всего, не работает никогда.
Так что, отодвигайте деньги, советы, примеры и приметы в сторону
и просто выбирайте то, что вам нравится, учитывая, что будете заниматься этим долго, может даже всю вашу счастливую жизнь.
Бывают моменты, когда материал плохо запоминается, но силы и
желание не покинули вас, нужно снова повторять и повторять.
И в награду за ваше усердие будет огромная радость, которая дает
толчок к следующим шагам обучения. В общем, человек «устроен так,
что без стимула никак». Этим стимулом в образовании является положительный результат уже изученного.
Любой предмет, наука или курс выстроен ступенчато — от легкого к сложному, по-другому нельзя. Так вот, пропущенные ступени
в процессе учебы оказывают большое влияние на конечный результат, знания становятся несвязанные, рыхлые, полные белых пятен.
Необходимо полностью выучить очередной шаг, тем самым стимулируя себя, и быть затем готовым к следующим достижениям.
Надо помнить, что результат вашего труда — это ваш результат.
Какой бы он ни был — плохой, хороший, «из ряда вон...» и т. д. — но
он ваш, и каким ему быть зависит только от вас.
Конечно, помощником для человека всегда была книга.
От автора
У вас появляется прекрасная возможность овладеть фундаментальными знаниями в области электротехники и электроники. Не выходя
из дома, получить серьезную практику ремонтных работ. Кому и для
чего это нужно?
Во-первых: человеку, только начинающему жить. Человеку, у которого, впереди выбор профессии и выбор способа ее освоить. Для
осуществления этого необходим психологический настрой, чтобы не
сделать поспешных решений, которые чаще всего оказываются ошибочными.
Зная, в общих чертах, об уровне сложности изучаемого материала,
об основных моментах и принципах будущей профессии, уверенный в
себе молодой человек, примет обдуманное, правильное решение.
Во-вторых: это нужно тем людям, которые поняли, что оступились
при выборе профессии и учебы. Учились, работали, а все без интереса. Сменить профессию тоже нелегко, но поверьте, намного легче,
чем вы думаете, просто надо действовать пока не поздно. Если у вас
сложилась такая ситуация, то сможете подготовить и настроить себя
на перемены. Отнестись к этому, как к серьезному моменту вашей
жизни. Читайте, готовьтесь.
В-третьих: для тех, кто решил изучать электротехнику и электронику окончательно и бесповоротно.
Если хотя бы один из пунктов вам подходит, то просим ознакомиться!
Скелетом книги служит классическая теория электротехники и
самых первых шагов в электронику. Здесь присутствуют описания и
рисунки практических работ в домашних условиях при помощи легкодоступных для каждого приборов и материалов.
ПЕРВЫЙ ШАГ
Знакомьтесь: КИРПИЧИКИ,
из которых состоит электротехника
Сделаем ПЕРВЫЙ шаг в электронику и электротехнику.
В качестве первого шага вы познакомитесь с основами
электротехники. Узнаете о происхождении электричества. Изучите проводники, диэлектрики, конденсаторы,
индуктивности и освоите базовые законы электротехники: Ома и Кулона. А в завершении приводятся контрольные вопросы, которые помогут самостоятельно оценить
уровень освоения материала.
1.1. Кратко о происхождении электричества
Взаимодействие тел
Образно рассмотрим, что это такое — электричество. Как известно
все тела состоят из мельчайших частиц — молекул, молекулы из атомов, атомы еще из более мелких протонов, нейтронов, электронов.
Каждая частица, молекула, тело имеет свой энергетический заряд.
Тела с положительным (+) зарядом притягиваются к телам с отрицательным (–) зарядом, а если одноименные — (+) с (+) и (–) с (–), то
отталкиваются (рис. 1.1).
Наблюдается тенденция движения.
Интенсивность этого движения частиц в веществах зависит от
многих причин: деформация, воздействие света, нагревание, трение,
химические реакции.
Рис. 1.1. Взаимодействие тел
ПЕРВЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: КИРПИЧИКИ, из которых состоит электротехника
17
Электроны движутся вокруг ядра и находятся
e
от него на различных расстояниях, поэтому взаe
e
имодействие положительных зарядов протонов
P
e
ядра с электронами неодинаково, оно ослабляется
N
по мере удаления электрона от ядра (рис. 1.2).
e
Таким образом, может меняться число электронов, наиболее удаленных от ядра и наиболее
Рис. 1.2. Расположение
слабо связанных с ядром.
электронов
Число электронов в атомах материалов можно
изменить трением, нагреванием, с помощью света,
деформации, химических реакций и т. д. Установлено, что из некоторых
веществ под действием света вылетают электроны и эти вещества заряжаются положительным зарядом. Это явление называется фотоэффектом, на нем основан принцип работы фотоэлементов.
При нагревании металлов до определенной температуры скорости
движения слабо связанных с ядром электронов достигают величин,
при которых их кинетической энергии хватает, чтобы оторвать электроны от ядра. Электроны становятся свободными с отрицательными
зарядами, а атомы металла, потерявшие электроны, обретают положительные заряды. Это явление называется термоэлектронной эмиссией и используется, в частности, в кинескопах телевизоров.
В химических источниках электрической энергии положительные и
отрицательные полюсы образуются в результате переноса зарядов при
химических реакциях (аккумуляторы). При механической деформации
(сжатии, растяжении и т. д.) на поверхности некоторых кристаллических
тел (например, кварца) возникают электрические заряды. Это явление
называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. При обратном пьезоэффекте кристалл деформируется под действием электроэнергии.
При этом образуются небольшие источники двух полярностей (+)
и (–). Каждая полярность имеет свою величину — потенциал.
Определение.
Запас энергии (потенциальная энергия) единицы количества электричества, находящейся в данной точке электрического поля,
называется потенциалом.
Чем больше потенциал, тем больше разница между (+) и (–). Так
вот, эта разница потенциалов (+) и (–) — есть электродвижущая
сила (ЭДС).
18
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
В замкнутой цепи электрический ток протекает под действием
электродвижущей силы (ЭДС) источника энергии. Электродвижущая
сила возникает в источнике и при отсутствии тока в цепи, т. е. когда
цепь разомкнута. При холостом ходе, т. е. при отсутствии тока в цепи,
ЭДС равна разности потенциалов на зажимах источника энергии.
Также как и разность потенциалов, ЭДС измеряется в вольтах (В).
Как при замкнутой, так и при разомкнутой электрической цепи
ЭДС непрерывно поддерживает разность потенциалов на зажимах
источника энергии.
В наличии ЭДС можно убедиться, если присоединить к полюсам
источника энергии (вместо линейных проводов) прибор, называемый вольтметром. Стрелка вольтметра при этом отклонится на
некоторый угол. У цифрового прибора изменится значение на дисплее. Отклонение будет тем больше, чем больше ЭДС источника
энергии.
Однако вольтметр покажет не величину ЭДС, а, как мы увидим
дальше, напряжение на зажимах источника, которое также, как и ЭДС,
измеряется в вольтах (В), киловольтах (кВ), милливольтах (мВ):
1 вольт = 1000 милливольт; 1000 вольт = 1 киловольт
Можно представить эти источники в виде маленьких макетов
больших источников электрической энергии, которые создал человек
(генераторы, аккумуляторы, но об этом позже).
Пьезоэффект
Ученые всего мира бьются над проблемой продления жизни источников энергии. И среди них Мартын Нунупаров, российский физиктеоретик и изобретатель, кандидат физико-математических наук,
заведующий лабораторией микроэлектроники Института общей
физики РАН. Он изобрел оригинальное устройство, обеспечивающее
микроэлектронику электричеством, — так называемый пьезоконвертер. Именно под таким названием этот предмет уже запатентован в
России, США и еще 24 странах.
«Всем известно, что два разнозаряженных предмета притягиваются», — объясняет физик. — «Но обычно сила этого притяжения
мала и ненадежна. Я стал экспериментировать и выяснил: специальные полимерные пластинки, заряженные определенным образом, притягиваются друг к другу с силой в несколько килограммов! Притом,
что они заряжены зарядом всего лишь в один микрокулон».
ПЕРВЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: КИРПИЧИКИ, из которых состоит электротехника
19
Поясним: пьезоэффект — это свойство кристаллов некоторых веществ при сжатии изменять кристаллическую решетку и как
результат выдавать электрический заряд очень большого напряжения.
Впервые это свойство у кристаллов кварца еще в 1880 году обнаружили французские физики Жак и Поль Кюри. Сегодня известно более
полутора тысяч веществ, обладающих такими свойствами, из них
широко используются сегнетова соль и титанат бария. Самым распространенным на сегодняшний день прибором, в котором используется
пьезоэффект, является зажигалка.
Искру, которую дает пьезоэлемент, надо еще «поймать и заставить работать с микропроцессором». Мартын Нунупаров придумал
пьезоконвертер, состоящий из трансформатора, двух диодов и конденсатора. Опытный образец был готов через несколько месяцев.
Гарантия — десять миллионовциклов. Причем никакого щелчка не
слышно — кристалл сжимается беззвучно.
На сегодняшний день пьезоконвертер, дистанционные выключатели, безбатарейные датчики очень заинтересовали службы безопасности, шахтеров, пожарных, газовиков и нефтяников. Потому что
они обеспечивают автономную беспроводную сигнализацию, в которой благодаря герметичности совершенно отсутствует возможность
искрения (особенно это важно для шахтеров и пожарных, так как
исключается риск взрыва). И никогда не надо менять батарейки.
О статическом электричестве ученые знали давно. Например, знаменитая Мария Склодовская-Кюри использовала это явление для
изучения свойств магнитных материалов. Широко используются пьезоэлементы в качестве источников звука, датчиков вибрации, поляроидных пленок.
Фотоэффект
Определение.
Фотоэлемент — электронный прибор, в котором в результате
поглощения энергии падающего на него оптического излучения генерируется ЭДС (фотоЭДС) или электрический ток (фототок).
Действие фотоэлемента основывается на фотоэлектронной эмиссии или внутреннем фотоэффекте.
Фотоэлемент, действие которого основано на фотоэлектронной
эмиссии, представляет собой электровакуумный прибор с двумя элек-
20
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
тродам — фотокатодом и анодом (коллектором электронов), помещенными в вакуумированную либо газонаполненную стеклянную
или кварцевую колбу.
Световой поток, падающий на фотокатод, вызывает фотоэлектронную эмиссию с его поверхности; при замыкании цепи фотоэлемента в
ней протекает фототок, пропорциональный световому потоку.
В газонаполненных фотоэлементах в результате ионизации газа и
возникновения несамостоятельного лавинного электрического разряда в газах фототок усиливается. Наиболее распространены фотоэлементы с сурьмяно-цезиевым и кислородно-серебряно-цезиевым
фотокатодами. Материалами, из которых выполняют полупроводниковые фотоэлементы, являются Se, GaAs, CdS, Ge, Si и др.
Фотоэлементы обычно служат приемниками излучения или приемниками света (полупроводниковые фотоэлементы в этом случае
нередко отождествляют с фотодиодами). Полупроводниковые фотоэлемент используют также для прямого преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию — в солнечных батареях,
фотоэлектрических генераторах.
Термоэффект
Принцип действия термопары основан на том, что нагревание или
охлаждение контактов между проводниками, отличающимися химическими свойствами, сопровождается возникновением термоэлектродвижущей силы (термоЭДС).
Термопара состоит из двух металлов, сваренных на обоих концах.
Один конец помещается в месте замера температуры. Второй спай
термостатируется, или измеряется его температура и погрешность
вычитается расчетным способом.
Метрологической характеристикой теромопары является градуировочная таблица, в которой указана температура «горячего» конца
теромопары, и термоЭДС, развиваемая термопарой при этой температуре. При этом необходимо учитывать температуру «холодного» конца
термопары, и термоЭДС, развиваемую на нем необходимо вычесть из
термоЭДС «горячего» конца термопары. Термопары бывают:
открытого типа;
закрытого типа.
Применяются термопары для измерения температуры различных объектов, а также в автоматизированных системах управления и контроля.
ПЕРВЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: КИРПИЧИКИ, из которых состоит электротехника
21
Преимущества термопар:
большой температурный диапазон измерения;
измерение высоких температур до 1800—2200°С.
Недостатки термопар:
точность более 1°С труднодостижима, необходимо использовать
термометры сопротивления или термисторы;
на показания влияет температура свободных концов, на которую необходимо вносить поправку;
возникает погрешность от изменения температуры холодного
спая;
эффект Пельтье (в момент снятия показаний, необходимо исключить протекание тока через термопару, т. к. ток, протекаемый
через нее, охлаждает горячий спай и разогревает холодный).
Пример.
Самый простой и приемлемый вариант — это термопара с термоЭДС не менее 15 мВ при температуре пламени спички и длиной выводов не менее 100 мм.
Как показали эксперименты, хорошую термопару можно изготовить из стойки токоподвода электрической лампы накаливания на
220 В мощностью 150 Вт и отрезка нихромовой проволоки такого же
диаметра. Следует лишь заметить, что термопары из случайных материалов могут иметь существенный разброс удельной термо-ЭДС.
Концы отрезков заготовки будущей термопары укладывают вровень, туго скручивают между собой на 2—3 витка и на получившуюся
скрутку плотно наматывают конец гибкого медного провода сечением
не менее 1,5 мм2.
Второй конец провода подключают к зажиму источника тока
10—15 А напряжением 10—20 В.
Ко второму зажиму источника таким же проводом подключают
обломок графитового стержня от мягкого простого карандаша.
Конец скрутки заготовки целесообразно покрыть слоем пасты из
воды и буры или растолченного материала обмазки сварочного электрода. Провода должны быть возможно короче.
Включив источник и касаясь концом графитового стержня конца
скрутки заготовки, оплавляют скрутку в возникающей электрической
дуге так, чтобы на ней образовался маленький шарик — спай термопары.
22
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
Можно изготовить термопару и без сварки — нужно только хорошо
зачистить и плотно свить концы. Однако надежность и долговечность
такой термопары заметно ниже.
Примеры химического эффекта: всевозможные элементы питания, аккумуляторы.
Прежде чем говорить о получении и использовании электроэнергии необходимо знать, как передать ее к потребителю.
1.2. Проводники и их сопротивление
Зависимость сопротивления от свойств проводника
Проведем практическую работу № 1. Для успешного проведения практических работ в домашних условиях будем пользоваться самыми доступными методами и компонентами. Кое-что придется приобрести в магазине,
кое-что заимствовать от старых и неисправных электроприборов.
В данной работе нам пригодятся:
мультиметр (тестер);
любой элемент питания, желательно в контейнере;
колодка контактная (любая);
переменный резистор (100—1000 Ом);
куски проволоки с разным удельным сопротивлением (табл. 1.1,
см. далее).
Сначала выставим резистор на сопротивление около 150 Ом, измеряя мультиметром в положении переключателя «200 Ом». Поставим
переключатель на измерение тока в миллиамперах.
Соберем электрическую цепь (рис. 1.3).
М УЛ ЬТИ М ЕТР
Подключим по очереди проводники одимА
наковой длины и с одинаковой площа250
1,5 В
Ом
дью поперечного сечения, но из разных
материалов.
Запишем показания прибора:
Н ихром S0,4 30 см
М едь S0,4 30 см
I1 = ... A, I2 = ... А.
Замеряем отрезок: нихром 0,4 мм 2,
30 см, получаем 14,00 мА.
Замеряем отрезок: медь 0,4 мм2, 30 см,
Н ихром S0,4 90 см
Н ихром S1,0 30 см
получаем 14,33 мкA.
Рис. 1.3. Варианты подключения
ПЕРВЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: КИРПИЧИКИ, из которых состоит электротехника
20 м А
14.00
DCV
500
200
20
500
200
E
B
C
E
OFF
NPN PNP
FUKE
DT–830B
200m
2000
k
200
W k
10 DCA
20k
2000 200
20m
200
m
200m
2000
k
200
W k
C
DCA
200 m
2000 m
2000
m
20m
B
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
20
200 m
2000 m
200
m
E
14.33
DCV
DCA
2000
m
E
20 м А
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
E
hFE
ON
10A
E
B
B
C
C
E
E
10 DCA
20k
2000 200
OFF
NPN PNP
10A MAX
V W mA
FUKE
500VAC
500VDC
200mAmax
DT–830B
hFE
ON
10A
10A MAX
V W mA
500VAC
500VDC
200mAmax
БАТАРЕЯ
COM
БАТАРЕЯ
COM
23
2×1,5 В
потенциом етр
2×1,5 В
потенциом етр
нихром 0,4
Рис. 1.4. Отрезок нихрома
м едь 0,4
Рис. 1.5. Отрезок меди
Вывод.
Сила тока зависит не только от напряжения, но и от свойств проводника. Это означает, что разные проводники оказывают разное
противодействие току, т. е. оказывают сопротивление.
Источник энергии, включенный в замкнутую электрическую цепь,
расходует энергию на преодоление сопротивления цепей.
Определение.
Устройства, которые включают в электрическую цепь для установления определенного сопротивления этой цепи, называются
резисторами.
Обозначение: R. Единица измерения: Ом. За единицу сопротивления принимают сопротивление такого проводника, в котором при
напряжении 1 В сила тока равна 1 А:
1 ом = 1 вольт/1 ампер
На практике используются и другие единицы сопротивления:
1 кОм = 1000 Ом, 1 мОм = 0,001 Ом, 1 МОм = 1000000 Ом.
Внимание.
Постоянная ошибка обучающихся! Путаница с соотношениями
единиц измерения в формулах, при установке данных. Будьте внимательны сейчас и всегда!
24
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
Правило.
Необходимо запомнить (очень важно), что при расчетах цепей, применяются единицы одного уровня.
Например: если U = nВольт, то I = nАмпер, R = nОм.
Взаимодействие движущихся электронов
с ионами кристаллической решетки
Выясним: что же является причиной, ограничивающей силу тока в
проводнике? Что представляет собой электрический ток в металлах?
Это направленное движение электронов.
Если бы электроны в проводнике не испытывали никаких помех в
своем движении, то они, будучи приведены в упорядоченное движение, двигались бы по инерции неограниченно долго.
В действительности электроны взаимодействуют с ионами кристаллической решетки металла. При этом замедляется упорядоченное движение электронов, и сквозь поперечное сечение проводника
за 1 секунду их проходит меньше.
Соответственно, уменьшается и переносимый электронами за
1 секунду заряд, т. е. уменьшается сила тока. Таким образом, каждый
проводник как бы противодействует электрическому току, оказывает
ему сопротивление.
Вывод.
Причина сопротивления — взаимодействие движущихся электронов с ионами кристаллической решетки.
Таким образом, сопротивление проводников зависит от свойств
вещества, из которого он изготовлен.
Зависимость сопротивления от длины
Проведем практическую работу № 2. Включим поочередно в цепь
проволоки из одинакового материала, но разной длины (рис. 1.6).
Запишем показания приборов. Замеряем отрезок: нихром 0,4 мм2,
90 см, получаем 13,16 мА.
ПЕРВЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: КИРПИЧИКИ, из которых состоит электротехника
Вывод.
Сопротивление проводника
зависит от его длины; чем
длиннее
проводник,
тем
больше сопротивление.
20 м А
25
13.16
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
DCV
500
200
DCA
20
200 m
2000 m
2000
m
20m
200
m
200m
2000
k
200
W k
10 DCA
E
E
B
B
C
C
E
20k
2000 200
OFF
E
NPN PNP
hFE
ON
10A
10A MAX
V W mA
FUKE
500VAC
500VDC
200mAmax
DT–830B
COM
Вывод.
Сопротивление проводника
зависит от площади поперечного сечения; чем больше
площадь поперечного сечения,
тем меньше сопротивление.
2×1,5 В
потенциом етр
нихром 0,4 (30 см )
нихром 0,4 (90 см )
Рис. 1.6. Нихром разной длины
20 м А
14.27
DCV
500
200
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
DCA
20
200 m
2000 m
2000
m
20m
200
m
200m
2000
k
200
W k
E
E
B
B
10 DCA
20k
2000 200
C
C
E
E
OFF
NPN PNP
FUKE
DT–830B
hFE
ON
10A
10A MAX
V W mA
500VAC
500VDC
200mAmax
COM
БАТАРЕЯ
Проведем практическую работу
№ 3. Включим поочередно в цепь
проволоки из одинакового материала и одинаковой длины, но с разной площадью поперечного сечения
(рис. 1.7). Запишем показания приборов.
Замеряем отрезок: нихром 1,0 мм2,
30 см, получаем 14,21 мА.
БАТАРЕЯ
Зависимость сопротивления
от площади поперечного сечения
2×1,5 В
потенциом етр
нихром 0,4
Целью проведенных работ являнихром 1,0
ется наглядное представление завиРис. 1.7. Нихром с разным
симостей сопротивления провопоперечным сечением
дника:
от свойств вещества, из которого он состоит;
от поперечного сечения проводника;
от длины проводника;
Запишем формулу для расчета сопротивления проводника:
R = ρl/S,
где ρ — удельное сопротивление вещества (табл. 1.1).
l — длина проводника, м;
S — сечение проводника, мм2.
26
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
Удельное электрическое сопротивление некоторых материалов
Материал
r, Ом×м2/м
Материал
Таблица 1.1
r, Ом×м2/м
Серебро
0,016
Манганин (сплав)
Медь
0,017
Константан (сплав)
0,43
0,5
Золото
0,024
Ртуть
0,96
Алюминий
0,028
Нихром (сплав)
1,1
Вольфрам
0,055
Фехраль (сплав)
1,3
Латунь
0,071
Хромель (сплав)
1,5
Железо
0,1
Графит
13
Олово
0,12
Уголь
Свинец
0,21
Фарфор
1019
Платино-иридиевый сплав
0,25
Эбонит
1020
Никелин (сплав)
0,4
40
Из формулы следует:
ρ = RS/l.
Единица измерения: (1 Ом×мм2)/м, или 1 Ом×м.
На практике часто площадь поперечного сечения выражают в мм2.
Поэтому удобно пользоваться единицей (1 Ом×мм2)/м
Выразим длину проводника и площадь поперечного сечения:
l = RS/ρ.
Поскольку R металлов зависит от температуры (R увеличивается при
повышении температуры), то в табл. 1.1 приводятся значения при 20°С.
Определение.
Способность проводника пропускать электрический ток называется проводимостью g.
Это величина, обратная сопротивлению, единица измерения которой является сименс:
См = 1/Ом.
Удельная проводимость: σ = 1/ρ.
Лучшие проводники электричества: серебро, медь.
Диэлектрики: фарфор, эбонит.
ПЕРВЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: КИРПИЧИКИ, из которых состоит электротехника
27
Реостаты, резисторы, потенциометры
Силу тока на практике приходится менять (уменьшать или увеличивать). Например, изменяя силу тока в динамике радиоприемника,
мы регулируем громкость; в электродвигателе швейной машины —
скорость вращения.
Прибор для регулирования силы тока называется Рис. 1.8. Графическое
реостатом (он же переменный резистор, рис. 1.8). обозначение реостата
Конструкция реостатов позволяет изменять длину проводника, по
которому идет ток, изменяя при этом сопротивление в цепи.
Путем изменения сопротивления цепи можно влиять на силу тока
в ней. От нее, в свою очередь, зависит действие, оказываемое током на
различные устройства в цепи.
В ползунковых реостатах используют проволоку с большим удельным сопротивлением — никелиновую или нихромовую — покрытую
тонким слоем окалины, т. е. витки такого реостата изолированы.
Ее наматывают на керамический цилиндр. По металлическому
стержню перемещается ползунок (рис. 1.9, рис. 1.10). Реостат рассчитан на определенное сопротивление (наибольшую силу тока).
Рис. 1.9. Мощный потенциометр
Рис. 1.10. Реостат
В современных радиоэлектронных устройствах используют резисторы — детали, обеспечивающие заданное (номинальное) электрическое сопротивление цепи (рис. 1.11).
Рис. 1.11. Набор постоянных
сопротивлений (резисторов)
Рис. 1.12. Набор переменных
сопротивлений (потенциометров)
28
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
Переменные сопротивления (потенциометры) могут иметь три
вывода, один из которых связан с подвижным контактом, скользящим
по поверхности проводящего слоя (рис. 1.12).
Сопротивление между любым крайним выводом переменного
резистора и подвижным контактом зависит от положения движка.
Небольшая задача о резисторах
Обязательным условием при изучении электротехники является
решение задач. Это способствует закреплению пройденных материалов.
1.3. Диэлектрики и емкость
Диэлектрики
Материалы, проводящие электрический ток, называются провод
никами. В ряде материалов, называемых диэлектриками, электрический ток не возникает. У таких материалов электрические заряды
молекул прочно связаны внутримолекулярными силами, и свободных
электронов очень мало.
Примеры.
К диэлектрикам относятся — мрамор, фарфор, слюда, стекло и др.
В молекулах диэлектрика очень трудно отделить отрицательный
заряд от положительного, но под действием сил электрического поля,
внутренние молекулярные заряды упруго смещаются:
положительные заряды — по направлению поля;
отрицательные заряды — в обратном направлении.
ПЕРВЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: КИРПИЧИКИ, из которых состоит электротехника
29
Вывод.
Таким образом, диэлектрик в электрическом поле поляризуется: на
поверхности диэлектрика, обращенной к положительно заряженному проводнику, образуется отрицательный заряд –Q, а на противоположной поверхности — положительный заряд +Q.
С устранением внешнего электрического поля эти заряды исчезают.
Система, состоящая из двух проводников, разделенных диэлектриком,
называется конденсатором, а проводники — обкладками конденсатора.
Если два таких проводника соединить с полюсами источника электрической энергии, то между ними (и разделяющем их диэлектрике)
создается электрическое поле. Положим, что конденсатор, состоящий
из двух металлических пластин А и Б, являющихся его обкладками,
подключен к полюсам источника тока.
Если напряжение этого источника U, то очевидно, что обкладки
конденсатора находятся под таким же напряжением U.
Электрическое поле, возникшее в диэлектрике
– +
конденсатора, характеризуется напряженностью.
U
Пусть расстояние между обкладками конденсатора
Б
А
l (рис. 1.13). Напряженность электрического поля
–
+
–
+
представляет собой отношение напряжения на
–
+
–
+
обкладках к расстоянию между ними, т. е. E = U/l.
–
+
–
+
Если напряжение на обкладках конденсатора
L
выражено в вольтах, а расстояние между параллельно
расположенными обкладками — в метрах, то напря- Рис. 1.13. Обкладки
конденсатора
женность электрического поля в диэлектрике конденсатора выражается в вольтах на метр (В/м).
Правило.
Чем больше напряжение на обкладках конденсатора, тем больше
напряженность поля в его диэлектрике.
Обкладки конденсатора, соединенные с полюсами источника энергии, имеют положительный и отрицательный заряды. Величины зарядов, равные между собой по абсолютной величине, пропорциональны
напряжению U на обкладках конденсатора.
Значит, если величину заряда на одной из обкладок обозначить
буквой Q, то можно написать следующее равенство:
Q = CU.
30
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
В этом равенстве величина С является так называемой емкостью
конденсатора.
Если заряд Q выражен в кулонах, а напряжение U в вольтах, то
емкость выражается в фарадах.
1 Ф = 1 000 000 мкФ = 1012 пФ (пикфарад).
Емкость конденсатора зависит от обкладок, расстояния между
ними и диэлектрической проницаемости.
Правило.
Емкость конденсатора тем больше, чем больше площадь S его
обкладок и диэлектрическая проницаемость среды, разделяющей
их, а также, чем меньше расстояние между обкладками.
Заряд и разряд конденсатора
Подключаем конденсатор к источнику энергии — происходит заряд
конденсатора до напряжения между обкладками U, равного напряжению источника Е. Обкладка, соединенная с положительным полюсом
источника, получит положительный заряд, вторая обкладка — равный по величине отрицательный заряд Q = CU.
Примечание.
Для заряда конденсатора необходимо, чтобы одна из обкладок
потеряла, а другая приобрела некоторое количество свободных
электронов.
Электроны движутся от одной обкладки конденсатора на другую
под действием напряжения источника. Движение этих зарядов называется током зарядки конденсатора.
С повышением напряжения на конденсаторе ток заряда уменьшается и постепенно становится равным нулю. В начальный момент
заряда конденсатора напряжение на нем быстро возрастает, так как
ток заряда имеет большую величину зарядов и происходит быстрое
накопление зарядов на обкладках конденсатора.
С повышением емкости конденсатора возрастает количество зарядов, накапливаемых на его обкладках, а с увеличением сопротивления
цепи уменьшается зарядный ток. Это замедляет накопление зарядов
на этих обкладках.
ПЕРВЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: КИРПИЧИКИ, из которых состоит электротехника
31
Если заряженный конденсатор замкнуть на какое-либо сопротивление R, то под действием напряжения на конденсаторе будет протекать ток разряда конденсатора.
Разряд конденсатора сопровождается переносом электронов с
одной пластины (где их избыток) на другую (где их недостаток). Он
продолжается до тех пор, пока потенциалы обкладок не станут одинаковыми, т. е. напряжение на конденсаторе не уменьшится до нуля.
По мере понижения напряжения разрядный ток уменьшается, и перенос зарядов с одной обкладки на другую замедляется.
Продолжительность процесса разряда конденсатора зависит от сопротивления цепи и емкости конденсатора. Увеличение сопротивления и
емкости увеличивает длительность разряда.
Примечание.
С повышением сопротивления разрядный ток уменьшается, замедляя перенос зарядов с одной обкладки на другую; с возрастанием
емкости конденсатора увеличивается заряд на обкладках.
При неизменном напряжении ток через конденсатор не проходит,
конденсатор не пропускает постоянный ток, так как между его обкладками помещен диэлектрик. При заряде конденсатор накапливает электрическую энергию, потребляя ее от источника. Накопленная энергия
сохраняется некоторое время.
Чем больше емкость конденсатора и напряжение между его обкладками, тем больше энергия, накопленная им.
После заряда в конденсаторе определенное время сохраняется накопленная энергия, и напряжение на нем не меняется. При длительном
Рис. 1.14. Неполярные
конденсаторы
Рис. 1.15. Электролитические
конденсаторы (полярные)
32
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
хранении конденсатор полностью разряжается. Это явление называется саморазрядом конденсатора.
Оно объясняется тем, что любой диэлектрик не идеальный изолятор и содержит небольшое количество свободных электронов.
Поэтому под действием разности потенциалов заряды переносятся
с одной обкладки на другую, т. е. появляется тoк утечки. При большом токе утечки конденсатор считается неисправным. Конденсаторы
бывают полярные (рис. 1.15) и неполярные (рис. 1.14).
Соединение конденсаторов
Соединение конденсаторов в цепи бывает параллельным (рис. 1.16)
и последовательным (рис. 1.17).
При параллельном соединении емкость
их равна сумме емкостей, так как паралC1 C2 C3
лельное соединение увеличивает общую
площадь обкладок:
Рис. 1.16. Параллельное
соединение
С = С1 + С2 + С3.
При последовательном соединении конденсаторов уменьшается общая емкость
системы, которая будет меньше емкости
Рис. 1.17. Последовательное
соединение
любого из последовательно включенных
конденсаторов, так как последовательное
включение подобно увеличению толщины диэлектрика, т. е. расстоянию между обкладками конденсатора.
C1
C2
C3
1/С = 1/С1 + 1/С2 + 1/С3.
1.4. Ваш первый шаг в электронику
Закон Кулона
Мы уже знаем, что источник электроэнергии обладает разностью
потенциалов, заряженные частицы которых, стремятся друг к другу.
Существуют материалы, которые способствуют движению частиц, а
также есть такие, которые ограничивают их движение.
ПЕРВЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: КИРПИЧИКИ, из которых состоит электротехника
33
Первые — это проводники, которыми является большинство
металлов, вода, кислоты, щелочи и прочие. Вторые — диэлектрики:
дерево, воздух, пластмассы и т. д.
Из хороших диэлектриков: фарфора, стекла, текстолита, резины и
т. д. изготовляют изоляторы (табл. 1.2).
Электрические свойства диэлектриков
Изолирующие материалы
(диэлектрики)
Воздух
Таблица 1.2
Диэлектрическая
проницаемость ε
Электрическая прочность,
В/см
1
30000
Мрамор
8,3
20000—30000
Парафин
2,0—2,2
150000—500000
Резина
3,5
100000—150000
Слюда
6,0—7,5
1200000—2000000
Стекло
5,5—10,0
100000—400000
Фарфор
3,0—7,5
60000—100000
Эбонит
2,0—3,5
80000—100000
Кабельная бумага
2,3—3,5
60000—90000
Трансформаторное масло
2,0—2,5
50000—180000
В качестве проводника электроэнергии используется медь, алюминий, бронза, латунь, серебро, золото и их сплавы.
Тем не менее, нужно отметить, что деление тел на проводники и
диэлектрики весьма условно. Все вещества в большей или меньшей
степени проводят электричество.
Для продолжительного существования электрического тока в проводнике необходимо поддерживать электрическое поле. Для этих
целей используются источники электротока.
Определение.
Электрическим полем называется материальная среда, в которой обнаруживается силовое действие на зараженные частицы или
тела.
Условно электрическое поле изображают в виде электрических
силовых линий, направление которых совпадает с направлением сил,
действующих в нем. В зависимости от интенсивности поля силовые
линии электрического поля изображают расположенными гуще или
реже (рис. 1.18). Среду принято характеризовать особой величиной,
называемой диэлектрической проницаемостью (ε).
34
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
S
N
Рис. 1.18. Электрическое поле
Сила взаимодействия двух точечных
электрических зарядов определяется
законом Кулона и направлена по прямой,
соединяющей эти заряды (одноименные
заряды отталкиваются, разноименные
притягиваются).
Закон Кулона гласит:
Сила взаимодействия двух точечных электрических зарядов прямо
пропорциональна произведению количества электричества в этих
зарядах, обратно пропорциональна расстоянию между ними и зависит от среды, в которой находятся заряды.
Электрическое поле оказывает силовое действие на внесенное в
него электрически заряженное тело. Следовательно, электрическое
поле может совершить работу, т. е. оно обладает энергией.
Каждая точка электрического поля может быть характеризована
напряженностью поля Е или потенциалом Ф.
Напряженность электрического поля Е (В/м) определяется отношением силы F, с которой поле действует на точечный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда, т. е. B = F/Q.
Определение.
Точечным зарядом называется заряженное тело, линейные размер
которого ничтожно малы и заряд, которого в результате этого
практически не искажает поля.
При Q, равном единице, Е численно равно 1, следовательно, напряженность электрического поля численно равно силе поля, действующей на единичный заряд.
Для преодоления сил электрического поля при внесении в него электрического заряда необходимо затрачивать определенную работу.
Электрический ток и внутреннее сопротивление
Определение.
Запас энергии (потенциальная энергия) единицы количества электричества, находящейся в данной точке электрического поля,
называется потенциалом.
ПЕРВЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: КИРПИЧИКИ, из которых состоит электротехника
Единицей измерения потенциала является
вольт (В) или (V). Потенциал Земли принято
считать равным нулю, и если проводник соединен с землей, то его потенциал также равен
нулю.
Самый простой случай возникновения электрического тока, это когда один конец провода
соединен с наэлектризованным телом, а другой — с землей. Если мы возьмем отрезок проводника (рис. 1.20) и соединим им две полярности источника, то мы получаем движение заряженных частиц по проводнику (рис. 1.21) от (+)
к (–) (рис. 1.19). Это движение, есть электрический ток.
Электрический ток определяет количество
электричества, проходящего через поперечное
сечение проводника в единицу времени. Если в
проводнике протекает ток 1 ампер (рис. 1.21), то
через поперечное сечение этого проводника в течение 1 секунды протекает 1 кулон электричества.
Любое тело обладает свойством сопротивляться движению заряженных частиц (электротоку). Это свойство зависит от вещества, из
которого состоит тело, и называется сопротивлением.
У проводников оно мало, у диэлектриков —
велико. Источник электроэнергии тоже имеет
свое сопротивление, называется оно внутренним сопротивлением источника.
Это свойство проводников широко используется в электрических цепях. Рассмотрим простую схему работы источника электротока со
своим внутренним сопротивлением.
При разомкнутой цепи источника движение
отсутствует (рис. 1.22). При замыкании полюсов течет ток по замкнутой цепи (рис. 1.23) по
проводнику, у которого имеется свое сопротивление и по собственному внутреннему сопротивлению.
35
Рис. 1.19. Образное
представление движения
тока
Рис. 1.20. Ток
отсутствует
Рис. 1.21. Ток
протекает
+
–
Рис. 1.22. Цепь
разомкнута
+
–
Рис. 1.23. Цепь
замкнута
36
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
Источник имеет определенное количество электроэнергии. Какой
будет величина тока, протекающего по цепи?
Она будет зависеть от разницы потенциалов (мы помним: чем
больше разница, тем больше притяжение) и от сопротивления проводника и внутреннего сопротивления источника.
Примечание.
Как правило, сопротивление источника очень мало, и при изучении
им можно пренебречь.
Зависимость такая: электрический ток будет равен тому, что мы
получим, когда поделим разность потенциалов участка (величина
напряжения) на сопротивляемость этого участка (сопротивление).
Обозначаем: I — электрический ток; U — напряжение; R — сопротивление.
I = U/R или U = IR — это есть знаменитый закон Ома.
Взаимосвязь тока, напряжения и сопротивления можно назвать
основным законом электротехники, он применим во всем, что связано
с электричеством.
На этом законе построено и работает все — электрические сети, все
возможное электрооборудование, электрические механизмы, электроника, радиотехника и т. д.
Знание и умение объяснить и применить закон Ома — это первый большой шаг в изучении электричества, до конца непознанной
науки.
Действие электрического тока в примерах рисунков: рис. 1.24 —
рис. 1.29.
Работа тока только через проводник приводит к короткому замыканию так, как сопротивление проводника очень мало (рис. 1.30,
рис. 1.31).
В данном случае разрушиться может все, что находится в схеме
(источник, проводник, выключатель), разрушение током будет продолжаться до разрыва в самом слабом месте цепи. У нас условно показаны разрывы в нескольких местах (рис. 1.32).
Это пример с источником большой мощности, обыкновенная батарейка просто потеряет свой заряд. Если уменьшать сопротивление в
цепи, то сопротивление всей цепи уменьшится, а ток в цепи увеличится.
ПЕРВЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: КИРПИЧИКИ, из которых состоит электротехника
37
+
–
+
Рис. 1.24. Электрическая
цепь с сопротивлением
разомкнута
+
Рис. 1.25. Электрическая
цепь с сопротивлением
замкнута
Рис. 1.26. Графическое
изображение схемы
с сопротивлением
+
–
+
Рис. 1.27. Электрическая
цепь с электролампой
разомкнута
+
Рис. 1.28. Электрическая
цепь с электролампой
замкнута
Рис. 1.29. Графическое
изображение схемы
с электролампой
проводник им еет м алое сопротивление в
данном случае получим короткое зам ы кание
+
источник
проводник
Рис. 1.30. Схема короткого
замыкания (К.З.)
вы клю чатель
Рис. 1.31. Образное представление
разрушительного действия тока К.З.
С увеличением тока падение напряжения внутри источника энергии возрастает, так как внутреннее сопротивление источника остается
неизменным.
Следовательно, с уменьшением сопротивления внешней цепи
напряжение на источнике тоже уменьшается.
При соединении источника энергии с проводником, сопротивление
которого равно нулю, ток в цепи I = E/R0. Это наибольший ток, который может быть получен в цепи источника.
I — сила тока; E — напряжение; R0 — внутреннее сопротивление
источника.
Для источников энергии с малым внутренним сопротивлением,
например для электрических генераторов и кислотных аккумулято-
38
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
ров, короткое замыкание опасно, оно может вывести из строя эти
источники.
Короткое замыкание может возникнуть, из-за нарушения изоляции проводов, соединяющих приемник с источником энергии.
Металлические линейные провода при взаимном соприкосновении
образуют малое сопротивление, которое по сравнению с сопротивлением приемника может быть принято равным нулю.
Для защиты аппаратуры от токов короткого замыкания применяют
предохранители.
1.5. Вопросы для тестирования
Вопрос №1.
Для изготовления спиралей электрических плиток используют
проводники с большим удельным сопротивлением. Какой проводник
пригоден для этого?
a) Медный; б) алюминиевый; в) никелиновый; г) стальной.
Вопрос № 2.
Из каких веществ изготавливают проводники, применяемые на
практике?
a) Эбонит; б) медь; в) константан; г) нихром.
Вопрос №3.
Удельное сопротивление константана 0,5 Ом×мм2/м. Это значит,
что константановый проводник длиной ...
a) ... 0,5 м и площадью поперечного сечения 1 мм имеет сопротивление 1 Ом; б) ... 1 м и площадью поперечного сечения 0,5 мм имеет
сопротивление 1 Ом; в) ... 2 м и площадью поперечного сечения 1 мм
имеет сопротивление 0,5 Ом; г) ... 1,5 м и площадью поперечного сечения 0,5 мм имеет сопротивление 0,5 Ом.
Вопрос №4.
Длина одного провода 20 см, другого — 1,6 м. Площадь сечения
и материал проводов одинаковы. У какого провода сопротивление
больше и во сколько раз?
a) Второго; в 8 раз; б) второго; в 4 раза; в) первого; в 8 раз; г) первого;
в 10 раз.
ПЕРВЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: КИРПИЧИКИ, из которых состоит электротехника
39
Вопрос №5.
Проволоки имеют равные размеры. Какая их них имеет наименьшее сопротивление?
a) Медная; б) железная; в) никелиновая; г) стальная.
Вопрос №6.
Какие вещества используют в качестве изоляторов?
a) Эбонит; б) медь; в) серебро; г) золото.
Вопрос №7.
Удельное сопротивление никелина 0,4 Ом×мм2/м. Это значит, что
никелиновый проводник длиной ...
a) ... 0,4 м и площадью поперечного сечения 1 мм2 имеет сопротивление 1 Ом; б) ... 2 м и площадью поперечного сечения 0,4 мм2 имеет
сопротивление 1 Ом; в) ... 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм2
имеет сопротивление 0,4 Ом; г) ... 1 м и площадью поперечного сечения
0,4 мм2 имеет сопротивление 0,4 Ом.
Вопрос №8.
Проволоку разрезали пополам и сложили вдвое. Изменится ли ее
сопротивление?
a) Не изменится; б) уменьшится в 4 раза; в) увеличится в 4 раза;
г) уменьшится в 2 раза.
Вопрос №9.
Какого сечения нужно взять константановую проволоку длиной
8 м, чтобы она имела сопротивление 5 Ом? Удельное сопротивление
константана 0,5 Ом×мм2/м.
a) 1 мм2; б) 0,5 мм2; в) 0,8 мм2; г) 0,25 мм2.
Вопрос №10.
Какой длины нужно взять нихромовый проводник площадью поперечного сечения 0,2 мм2 для изготовления спирали нагревательного
элемента сопротивлением 22 Ом? Удельное сопротивление нихрома
1,1 Ом×мм2/м.
a) 1 м; б) 2 м; в) 3 м; г) 4 м.
40
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
Вопрос №11.
Электрическим током называется...
a) ... тепловое движение молекул вещества; б) ... хаотичное движение электронов; в) ... упорядоченное движение заряженных частиц;
г) ... беспорядочное движение ионов.
Вопрос №12.
За направление тока принимают...
a) ... движение нейтронов; б) ... движение электронов; в) ... движение положительно заряженных частиц; г) ... движение элементарных
частиц.
Вопрос №13. Какая формула выражает закон Ома для участка
цепи?
a) I = q/t; б) A = IUt; в) P = IU; г) I = U/R.
Вопрос №14.
Сопротивление проводника зависит от...
a) ...силы тока в проводнике; б) ... от материала, из которого изготовлен проводник, от его длины и площади поперечного сечения; в) ... только
от его длины; г) ... только от площади поперечного сечения.
Вопрос №15.
Сопротивление двух последовательно соединенных проводников
равно...
a) ... сопротивлению одного из них; б) ... сумме их сопротивлений;
в) ... разности их сопротивлений; г) ... произведению сопротивлений.
Вопрос №16.
Напряжение на участке можно измерить...
a) ... вольтметром; б) ... амперметром; в) ... омметром; г) ... ореометром.
Вопрос №17.
Силу тока на участке цепи измеряют...
a) ... омметром; б) ... манометром; в) ... вольтметром; г) ... амперметром.
ПЕРВЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: КИРПИЧИКИ, из которых состоит электротехника
41
Вопрос №18.
Каково напряжение на участке цепи постоянного тока с электрическим сопротивлением 2 Ом и при силе тока 4 А?
a) 2 В; б) 8 В; в) 1 В; г) 4 В.
Вопрос №19.
Какова сила тока в цепи, если на участке с электрическим сопротивлением 4 Ом напряжение равно 2 В?
a) 2 А; б) 0,5 А; в) 1 А; г) 0,25 А.
Вопрос №20.
Какая из формул выражает закон Ома для полной цепи?
a) Q = IUt; б) I = U/R; в) P = IU; г) I = E/(R + r).
В ТО Р О Й Ш А Г
Познакомимся с ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ
Сделав ВТОРОЙ шаг, вы познакомитесь с постоянным
током. Рассмотрите зависимости сопротивлений, последовательное, параллельное и смешанное соединение, зависимости тока, работу и мощность. Изучите расчет цепей
и их режимы. Познакомитесь с химическими источниками.
И в завершении — ответите на вопросы для самотестирования.
2.1. Зависимости сопротивлений
Зависимость сопротивления от положения движка
Мы рассматривали зависимость сопротивления от размеров и
свойств проводника. Теперь проверим, как же влияют друг на друга
составляющие закона Ома.
Переменные резисторы (потенциометры) могут иметь три вывода
(рис. 2.1), один из которых связан с подвижным контактом, скользящим по поверхности проводящего слоя. Сопротивление между любым
крайним выводом переменного резистора и подвижным контактом
зависит от положения движка.
Выяснили, что при любом положении движка резистора соблюдается равенство: напряжение участка 1-3 равно сумме напряжений
участка 1-2 и участка 2-3 (рис. 2.3 — рис. 2.6).
A
1кО м
3
V
+
–
V1
1
V2
2
12 B
V1
1
1кО м
V
3
+
–
2
12 B
B
Рис. 2.1. Переменный резистор
с подвижным контактом
(потенциометр)
Рис. 2.2. Регулировка
напряжения
потенциометром
Рис. 2.3. Напряжения
на участках
потенциометра
ВТОРОЙ ШАГ. Познакомимся с ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ
20 В
20 В
11.94
DCV
500
200
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
2000
m
V
2000
k
200
W k
E
C
E
OFF
E
NPN PNP
500
200
DCA
2000
k
200
W k
E
E
E
E
B
20m
200m
10 DCA
B
C
2
200 m
2000 m
C
20k
2000 200
OFF
NPN PNP
FUKE
DT–830B
3
DCV
500
200
1
10A MAX
V W mA
500VAC
500VDC
200mAmax
COM
20 В
200 m
2000 m
V2
2000
k
200
W k
E
E
B
E
E
500
200
OFF
FUKE
DT–830B
DCA
2000
k
200
W k
20m
200m
V1
E
E
E
E
B
C
OFF
2
500VAC
500VDC
200mAmax
200m
3
1
FUKE
E
E
V W mA
200 m
2000 m
V2
E
OFF
E
NPN PNP
V W mA
ON
10A
V W mA
500VAC
500VDC
200mAmax
DT–830B
COM
COM
Рис. 2.5. Движок в направлении 3
Рис. 2.4. Движок потенциометра
на середине
Выяснили, что чем больше
сопротивление участка, тем
больше напряжение на нем.
Следовательно, потенциометром
можно регулировать напряжение
(рис. 2.2).
hFE
10A MAX
FUKE
500VAC
500VDC
200mAmax
20m
200m
10 DCA
C
C
COM
DCA
20k
B
2000 200
B
500VAC
500VDC
200mAmax
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
20
2000
m
200
m
2000
k
200
W k
10A MAX
DT–830B
500
200
hFE
10A MAX
20 В
11.9
DCV
ON
10A
hFE
ON
10A
20m
10 DCA
20k
2000 200
B
C
NPN PNP
NPN PNP
V W mA
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
200 m
2000 m
2000
m
200
m
10 DCA
20k
B
2000 200
C
C
DCV
hFE
ON
10A
10A MAX
20 В
20
DCA
20
2000
m
200
m
hFE
ON
10A
OFF
E
COM
0.04
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
C
E
NPN PNP
DT–830B
6.00
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
20k
2000 200
B
C
FUKE
COM
V1
0
500VAC
500VDC
200mAmax
20m
200m
10 DCA
E
B
+12
V W mA
20 В
20
2000
m
200
m
E
hFE
ON
10A
DT–830B
5.94
DCV
2000
k
200
W k
10A MAX
FUKE
DCA
V
200
m
200m
20k
2000 200
B
C
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
200 m
2000 m
2000
m
20m
10 DCA
E
B
500
200
20
200 m
2000 m
200
m
0
11.94
DCV
DCA
20
+12
43
20 В
11.94
DCV
500
200
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
DCA
20
200 m
2000 m
2000
m
V
200
m
2000
k
200
W k
E
E
E
E
B
+12
0
20k
2000 200
B
C
C
OFF
NPN PNP
V W mA
500VAC
500VDC
200mAmax
COM
11.9
500
200
20 В
DCA
20
V1
2000
k
200
W k
E
E
E
E
B
B
C
2
200 m
2000 m
2000
m
200
m
C
20m
200m
10 DCA
20k
2000 200
OFF
NPN PNP
FUKE
DT–830B
3
DCV
500
200
1
V W mA
500VAC
500VDC
200mAmax
COM
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
DCA
20
200 m
2000 m
2000
m
V2
200
m
hFE
ON
10A
10A MAX
20 В
0.04
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
hFE
ON
10A
10A MAX
FUKE
DT–830B
DCV
20m
200m
10 DCA
2000
k
200
W k
E
E
B
B
C
C
E
E
20m
200m
10 DCA
20k
2000 200
OFF
NPN PNP
FUKE
DT–830B
hFE
ON
10A
10A MAX
V W mA
500VAC
500VDC
200mAmax
COM
Рис. 2.6. Движок в направлении 1
Зависимость сопротивления проводника от температуры
Применяя закон Ома, установим зависимость сопротивления проводника от температуры. В данной работе можно лишь убедиться, что с
увеличением температуры сопротивление проводника увеличивается.
Для выполнения работы понадобиться миллиамперметр и реостат
с большим сопротивлением (рис. 2.7).
1. При малом свечении лампы (рис. 2.8):
+
5B
6,3 B
V
I = 0,10 А = 100 мА; U = 1,15 В;
–
A
Найдем сопротивление:
R = 1,15/0,1 = 11,5 Ом;
Рис. 2.7. Схема
определения зависимости
2. В полнакала (рис. 2.9):
сопротивления проводника
I = 0,19 А = 190 мА; U = 3,16 В;
оттемпературы
44
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
0.10
DCV
500
200
DCA
20
200 m
2000 m
2000
m
А
200
m
2000
k
200
W k
E
C
E
500
200
OFF
E
NPN PNP
20m
А
200
m
E
0
ON
10A
V W mA
C
E
20m
200m
20k
2000 200
B
C
OFF
E
NPN PNP
hFE
V W mA
500VAC
500VDC
200mAmax
DT–830B
COM
COM
20 В
1.15
DCV
500
200
E
E
E
E
hFE
E
E
B
C
C
OFF
FUKE
500VAC
500VDC
200mAmax
DT–830B
COM
20m
200m
10 DCA
20k
2000 200
NPN PNP
V W mA
FUKE
E
E
B
ON
10A
10A MAX
DT–830B
DCA
200 m
2000 m
V
200
m
2000
k
200
W k
10 DCA
OFF
NPN PNP
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
20
2000
m
20m
200m
20k
2000 200
C
C
500
200
200 m
2000 m
V
B
B
DCV
DCA
20
2000
m
200
m
2000
k
200
W k
20 В
3.16
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
0
ON
10A
10A MAX
FUKE
500VAC
500VDC
200mAmax
10 А
10 DCA
E
B
10A MAX
FUKE
DCA
200 m
2000 m
2000
k
200
W k
hFE
DT–830B
+5
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
20
2000
m
200m
20k
2000 200
B
C
DCV
10 А
10 DCA
E
B
0.19
+5
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
hFE
ON
10A
10A MAX
V W mA
500VAC
500VDC
200mAmax
COM
Рис. 2.8. Малое свечение лампы
Рис. 2.9. Свечение лампы в полнакала
Найдем сопротивление:
R = 3,16/0,19 = 16,6 Ом;
10 A
3. При горячем состоянии, ярком
А
свечении (рис. 2.10):
0
I = 0,24 А = 240 мА; U = 4,93 В;
Найдем сопротивление:
20 В
4.93
R = 4,93/0,24 = 20,5 Ом;
Мы уже знаем, что при изменеV
нии напряжения в цепи изменяется
ток, а сопротивление — нет. В этом
случае при изменении напряжения
меняется ток, который влияет на
Рис. 2.10. Яркое свечение лампы
состояние нити накала. Изменяется
яркость свечения и температура.
Температура, в свою очередь, влияет на сопротивление, что мы и
видим при расчетах. Составим таблицу (табл. 2.1):
0.24
DCV
500
200
+5
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
DCA
20
200 m
2000 m
2000
m
20m
200
m
200m
2000
k
200
W k
E
E
E
E
B
10 DCA
20k
2000 200
B
C
C
OFF
NPN PNP
hFE
ON
10A
10A MAX
V W mA
FUKE
500VAC
500VDC
200mAmax
DT–830B
COM
DCV
500
200
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
DCA
20
200 m
2000 m
2000
m
20m
200
m
200m
2000
k
200
W k
E
E
E
E
B
B
C
C
10 DCA
20k
2000 200
OFF
NPN PNP
FUKE
DT–830B
hFE
ON
10A
10A MAX
V W mA
500VAC
500VDC
200mAmax
COM
Результаты измерений
Физическая
величина
Таблица 2.1
Малый накал
Полнакала
Большой накал
Ед. измерения
Ток
100
190
240
мА
Сопротивление
11,5
16,6
20,5
Ом
На основании данных табл. 2.1 построим график (рис. 2.11).
Проделанный опыт показывает зависимость сопротивления от
температуры.
ВТОРОЙ ШАГ. Познакомимся с ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ
Примечание.
Опыт основан на приблизительных результатах и расчетах для наглядного показа
этой зависимости, без определения температуры нити
накала.
Узнать температуру нити накала
можно по формуле зависимости R от t:
Rt = R0 (1 + αt),
45
R
20,5
16,6
15
11,5
10
5
0
100
м ал.
накал
190
пол
накала
240
бол.
накала
I
T
Рис. 2.11. График зависимости
сопротивления проводника
от температуры
где Rt — сопротивление при температуре t;
R0 — сопротивление при 0°С;
α — температурный коэффициент сопротивления (для вольфрама:
α = 0,0046 град-1).
При R0 = 2,2 Ом, в нашем случае, в точке малого накала температура равна 2021°С.
2.2. Последовательное соединение
Последовательное соединение резисторов
Электрическая цепь может содержать несколько приемников (нагрузок) энергии, имеющих различные сопротивления. Предположим, что
внешняя цепь аккумулятора состоит из трех нагрузок с сопротивлениями R1; R2; R3.
Определение.
Такое соединение нагрузок, при котором каждая из них поочередно включена в одну замкнутую электрическую цепь, называется последовательным (рис. 2.12).
+
R1
R2
I
R3
Рис. 2.12. Схема
последовательного
соединения
Ток при этом во всех нагрузках одинаков, а сопротивление внешней цепи (сопротивление аккумулятора не считается) равно сумме их
сопротивлений.
46
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
Зная закон Ома, представляем:
I = E/(R0 + R1 + R2 + R3);
где R0 — внутреннее сопротивление источника.
Напряжение на последовательно соединенных нагрузках равно
произведению силы тока на сопротивление нагрузки:
U1 = IR1; U2 = IR2; U3 = IR3.
Значит, сумма напряжений на нагрузках равна напряжению на
источнике. По всей цепи протекает одинаковый ток, значит, напряжения пропорциональны их сопротивлениям:
U1:U2:U3 = R1:R2:R3.
При постоянном напряжении ток зависит от сопротивления цепи.
Поэтому изменение сопротивления одной нагрузки ведет к изменению общего сопротивления всей цепи, тока и напряжения на всех
нагрузках. Слегка запутанные представления лабораторных работ,
великолепно влияют на усвоение материала и на умение сборки и чтения электрических схем.
Примечание.
В практических работах можно использовать любые, имеющиеся в наличии, компоненты, близкие по значениям и параметрам.
Соответственно, показания и результаты будут иными, но суть
проделанной работы усвоится лучше.
Рассмотрим работу цепи в трех положениях потенциометра R3:
1. R31 = 22 Ом (рис. 2.13, б);
2. R32 = (среднее положение регулятора, рис. 2.13, в);
3. R33 = 0 (рис. 2.13, г).
Схема собрана с помощью клеммной колодки, соединения между
резисторами посредством перемычек черного цвета.
1. На рис. 2.13, б видим показания при R3 = 22 Ом; I = 88,6 мА.
2. На рис. 2.13, в установили положение ползунка в произвольное
положение. Не лишним будет рассчитать сопротивление потенциометра в этом положении.
ВТОРОЙ ШАГ. Познакомимся с ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ
20 В
47
+
0.27
DCV
500
200
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
DCA
20
200 m
2000 m
2000
m
V2
200
m
2000
k
200
W k
E
E
E
E
C
C
20m
OFF
NPN PNP
R1
R2
+5
hFE
V1
V2
мА
0
ON
10A
10A MAX
V W mA
FUKE
R3
200m
10 DCA
20k
2000 200
B
B
I
500VAC
500VDC
200mAmax
DT–830B
COM
200 м А
88.60
DCV
500
200
E
E
E
OFF
E
NPN PNP
500
200
R1
hFE
ON
10A
DCA
200 m
2000 m
V1
200
m
2000
k
200
W k
R3
E
E
C
C
E
OFF
E
NPN PNP
V W mA
U=5B
R1 = 30 О м
R2 = 3 О м
R3 = X О м
I = 110,8 м A
U=5B
R1= 30 О м
R2 = 3 О м
R3 = 0 О м
I = 143,1 м A
hFE
ON
10A
V W mA
500VAC
500VDC
200mAmax
DT–830B
COM
20 В
I = 88,6 м A
200m
10A MAX
FUKE
500VAC
500VDC
200mAmax
20m
U=5B
R1 = 30 О м
R2 = 3 О м
R3 = 22 О м
10 DCA
20k
B
2000 200
B
10A MAX
FUKE
DT–830B
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
20
2000
m
20m
200m
10 DCA
C
C
R2
200 m
2000 m
A
20k
B
2000 200
B
DCV
DCA
20
2000
m
200
m
2000
k
200
W k
2.76
20 В
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
COM
0.33
DCV
500
200
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
DCA
20
200 m
2000 m
2000
m
V2
200
m
2000
k
200
W k
E
E
E
E
B
+5
10 DCA
20k
2000 200
B
C
20m
200m
C
OFF
NPN PNP
hFE
0
ON
10A
10A MAX
V W mA
FUKE
500VAC
500VDC
200mAmax
DT–830B
COM
200 м А
110.8
DCV
500
200
E
E
C
OFF
E
NPN PNP
500
200
R1
hFE
ON
10A
DCA
200 m
2000 m
V1
200
m
2000
k
200
W k
R3
E
E
C
C
E
OFF
E
NPN PNP
V W mA
ON
10A
V W mA
500VAC
500VDC
200mAmax
DT–830B
COM
20 В
hFE
10A MAX
FUKE
500VAC
500VDC
200mAmax
20m
200m
10 DCA
20k
B
2000 200
B
10A MAX
FUKE
DT–830B
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
20
2000
m
20m
200m
10 DCA
C
E
R2
200 m
2000 m
A
20k
B
2000 200
B
DCV
DCA
20
2000
m
200
m
2000
k
200
W k
3.46
20 В
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
COM
0.45
DCV
500
200
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
DCA
20
200 m
2000 m
2000
m
V2
200
m
2000
k
200
W k
E
E
E
E
C
C
+5
10 DCA
20k
2000 200
B
B
20m
200m
OFF
NPN PNP
hFE
0
ON
10A
10A MAX
V W mA
FUKE
500VAC
500VDC
200mAmax
DT–830B
COM
200 м А
143.1
DCV
500
200
E
B
C
C
E
R2
200 m
2000 m
E
B
DCV
DCA
20
2000
m
A
200
m
2000
k
200
W k
E
OFF
NPN PNP
FUKE
DT–830B
500
200
R1
hFE
ON
10A
10A MAX
V W mA
500VAC
500VDC
200mAmax
COM
DCA
200 m
2000 m
V1
200
m
R3
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
20
2000
m
20m
200m
10 DCA
20k
2000 200
4.48
20 В
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
2000
k
200
W k
E
E
B
B
C
C
E
E
20m
200m
10 DCA
20k
2000 200
OFF
NPN PNP
FUKE
DT–830B
hFE
ON
10A
10A MAX
V W mA
500VAC
500VDC
200mAmax
COM
Рис. 2.13. Измерения в цепи с последовательно соединенными резисторами:
а — исходное состояние элементов схемы;
б — состояние схемы при R31 = 22 Ом;
в — состояние схемы при положении ползунка R31 в произвольном положении;
г — R3 = 0 Ом
48
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
Примечание.
Учитывайте, что показания приборов не точны, и мы не берем во
внимание сопротивления проводов, так что все расчеты приблизительны, и соответственно, результаты мы получим приблизительные, исключительно для общего понимания и наглядности.
Смотрим рис. 2.13, в: R3 = X; I = 110,8 мА; U3 = Y.
Находим падение напряжения на R3:
U3 = 5 – (U1 + U2) = 5 – (3,46 + 0,33) = 1,21 В;
R3 = U3/I = 1,21/0,1108 А = 10,9 Ом; I = 110,8 мА
3. На рис. 2.13, г установили потенциометр — сопротивление до 0,
в цепи осталось два сопротивления и их падения напряжения в
сумме должны быть равны напряжению источника:
Uобщ = U1 + U2 = 4,48 + 0,45 = 4,93 В; I = 143,1 мА.
Хорошо видны зависимости тока и падений напряжения от
величины сопротивления в цепи. Последовательное соединение
добавочных резисторов используется на практике для понижения
напряжения.
Внимание.
ЕСЛИ НЕПОНЯТНО — ДАЛЬШЕ НИ ШАГУ!
ПОВТОРИТЕ ИЛИ ОТЛОЖИТЕ ДО ЛУЧШЕГО НАСТРОЕНИЯ!
Все понятно? Отлично! Идем дальше.
2.3. Параллельное и смешанное соединение
О чем нам говорит первый закон Кирхгофа
В цепях, состоящих из последовательно соединенных источника и
приемника энергии, соотношения между током, ЭДС и сопротивлением всей цепи или, между напряжением и сопротивлением на какомлибо участке цепи определяется законом Ома. На практике в цепях
токи от какой-либо точки идут по разным путям.
ВТОРОЙ ШАГ. Познакомимся с ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ
49
Определение.
Точки, где сходятся несколько проводников, называются узлами, а
участки цепи, соединяющие два соседних узла, ветвями.
В замкнутой электрической цепи ни в одной ее точке не могут скапливаться электрические заряды так, как это вызвало бы изменение
потенциалов точек цепи.
Вывод.
Поэтому электрические заряды, притекающие к какому-либо узлу в
единицу времени, равны зарядам, утекающим от этого узла за ту
же единицу.
В узле А цепь разветвляется на четыре ветви, которые сходятся в
узел В. Обозначим токи в неразветвленной части цепи — I, а в ветвях
соответственно I1, I2, I3, I4 (рис. 2.14).
У этих токов в такой цепи будет соотношение:
I = I1 + I2 + I3 + I4.
Правило.
Сумма токов, подходящих к
узловой точке электрической
цепи, равна сумме токов, уходящих от этого узла.
A
I
R1
I1
R2
I2
R3
I3
R4
I4
I2
I1
B
0
I
I3
I4
Рис. 2.14. Разветвленная цепь
Примечание.
Ничто не исчезает бесследно и не появляется из ничего.
При параллельном соединении резисторов ток проходит по четырем
направлениям, что уменьшает общее сопротивление или увеличивает
общую проводимость цепи, которая равна сумме проводимостей ветвей.
Обозначим силу тока в неразветвленной ветви буквой I. Силу тока в
отдельных ветвях соответственно I1, I2, I3 и I4. Напряжение между точками A и B — U. Общее сопротивление между этими точками — R.
По закону Ома напишем:
I = U/R; I1 = U/R1; I2 = U/R2; I3 = U/R3; I4 = U/R4;
Согласно первому закону Кирхгофа:
I = I1 + I2 + I3 + I4 или U/R = U/R1 + U/R2 + U/R3 + U/R4.
50
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
Сократив обе части полученного выражения на U получим:
1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + 1/R4.
Что и требовалось доказать. Соотношение верно для любого числа
параллельно соединенных резисторов.
В случае если в цепи содержится два параллельно соединенных
резистора R1 и R2, то можно написать равенство:
1/R = 1/R1 + 1/R2.
Из этого равенства найдем сопротивление R, которым можно заменить два параллельно соединенных резистора:
R = R1R2/(R1 + R2).
Полученное выражение имеет большое практическое применение.
Параллельное соединение резисторов
Если параллельно соединены n одинаковых резисторов R, то общее
сопротивление такой цепи будет в n раз меньше сопротивления одного
резистора, Roбщ = R/n.
Напишем следующее: I1R1 = U; I2R2 = U; I3R3 = U; I4R4 = U.
Все части равны, значит: I1R1 = I2R2 = I3R3 = I4R4.
Получим: I1/I2 = R2/R1; I2/I3 = R3/R2 и т. д.
Вывод.
Эти соотношения показывают, что в цепях с параллельно включенными сопротивлениями токи распределяются обратно пропорционально этим сопротивлениям. Значит, чем больше величина параллельно включенного сопротивления, тем меньше ток в
этом сопротивлении, и наоборот.
Если напряжение между узлами не изменяется, то токи в резисторах, включенных между этими узлами, не зависят друг от друга.
Выключение одного или нескольких резисторов из цепи не отражается на работе остальных, оставшихся включенными. Поэтому электролампы, электродвигатели и другие включают параллельно.
Вывод.
Чем больше величина включенного, параллельно, сопротивления,
тем меньше ток в этом сопротивлении, и наоборот.
ВТОРОЙ ШАГ. Познакомимся с ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ
Рассмотрим работу цепи
(рис. 2.17) в двух положениях
потенциометра:
1. R3 = 22 Ом (рис. 2.15);
при этом I1 = 0,18 А; I3 = 0,18 А;
I2 = 0,1 А;
2. R3 = 0 (рис. 2.16); при
этом I1 = 0,25 А; I3 = 0,25 А;
I2 = 0,16 А.
Ток, входящий в схему, и
выходящий — равны.
Ток, протекающий по
одной параллельной ветви,
меньше чем входящий или
выходящий, что говорит о
протекающем токе во второй
параллельной ветви (при первом положении R3):
I4 = I1 – I2 = 0,18 – 0,1 =
= 0,08 А.
0.18
DCV
500
200
I4 = 0,25 – 0,16 = 0,09 А.
DCA
200 m
2000 m
2000
m
A3
200
m
2000
k
200
W k
20k
2000 200
B
C
C
E
R1
56 О м
20m
200m
10 DCA
E
E
B
10 А
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
20
OFF
E
NPN PNP
hFE
+5 0
ON
10A
10A MAX
V W mA
FUKE
500VAC
500VDC
200mAmax
DT–830B
COM
0.10
DCV
500
200
A2
2000
k
200
W k
E
E
E
E
20m
200m
10 DCA
20k
2000 200
B
C
C
DCV
R2
30 О м
DCA
200 m
2000 m
200
m
B
0.18
10 А
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
20
2000
m
OFF
NPN PNP
R3
22 О м
hFE
ON
10A
10A MAX
V W mA
FUKE
10 А
500
200
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
DCA
20
200 m
2000 m
2000
m
A1
200
m
2000
k
200
W k
E
E
E
E
C
C
20m
200m
10 DCA
20k
2000 200
B
B
OFF
NPN PNP
hFE
ON
10A
10A MAX
V W mA
FUKE
500VAC
500VDC
200mAmax
DT–830B
500VAC
500VDC
200mAmax
DT–830B
COM
COM
Рис. 2.15. Положение потенциометра
R3 = 22 Ом
0.25
DCV
500
200
10 А
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
DCA
20
200 m
2000 m
2000
m
A3
200
m
2000
k
200
W k
E
E
B
C
C
E
R1
56 О м
20m
200m
10 DCA
20k
B
2000 200
OFF
E
NPN PNP
hFE
+5 0
ON
10A
10A MAX
V W mA
FUKE
500VAC
500VDC
200mAmax
DT–830B
COM
0.16
DCV
500
200
A2
2000
k
200
W k
E
E
E
E
DCV
R2
30 О м
DCA
200 m
2000 m
2000
m
200
m
B
C
C
0.25
10 А
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
20
B
При уменьшении сопротивления в одной из параллельных ветвей, ток в этой
ветви возрастает: 0,16>0,1.
При втором положении R3:
51
20m
200m
10 DCA
20k
2000 200
OFF
NPN PNP
FUKE
DT–830B
R3
0Ом
hFE
ON
10A
10A MAX
V W mA
10 А
500
200
DCA
200 m
2000 m
2000
m
A1
200
m
2000
k
200
W k
E
E
E
E
B
B
C
C
OFF
DT–830B
COM
20m
200m
10 DCA
20k
2000 200
NPN PNP
FUKE
500VAC
500VDC
200mAmax
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
20
hFE
ON
10A
10A MAX
V W mA
500VAC
500VDC
200mAmax
COM
Рис. 2.16. Положение потенциометра
R3 = 0 Ом
Е1=5 В
+
R1=56 О м
I3
мА
I2
мА
I1
мА
R2=30 О м
R3=22 О м
Рис. 2.17. Схема параллельного
соединения резисторов
Смешанное соединение сопротивлений
Определение.
Если резисторы, соединенные параллельно между собой, включены
последовательно с другими резисторами, то такое соединение их
называется смешанным (рис. 2.18).
52
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
+
А
R2
R1
В
R3
С
Рис. 2.18. Смешанное
соединение
резисторов
Для определения сопротивления нескольких
резисторов, соединенных смешанно, сначала находят сопротивление параллельно или последовательно соединенных резисторов, а затем заменяют
их одним резистором с сопротивлением, равным
найденному.
Например, для определения сопротивления
между точками A и С сначала находят сопротивление между точками B и C:
R = R2R3/(R2 + R3).
Потом складывают полученное значение сопротивления с сопротивлением R1:
R = (R2R3/(R2 + R3)) + R1
Нелинейные сопротивления
Определение.
Сопротивление, которое не зависит от проходящего по ней тока,
называется линейным. Если сопротивление зависит от проходящего по ней тока, то называется нелинейным.
Устройство нелинейного элемента предусматривает изменение своего сопротивления, в зависимости от силы проходящего по нему тока.
У линейного сопротивления вольтамперная характеристика представляет собой прямую, так как сопротивление постоянно.
Согласно закону Ома между током и напряжением существует
прямо пропорциональная зависимость.
Для нелинейного элемента вольтамперная характеристика не прямолинейна, а его сопротивление уменьшается с ростом тока (например, в электронных приборах: электронных лампах, полупроводниковых диодах и стабилитронах). Или сопротивление элемента растет с
увеличением тока (например, нагревательные приборы, лампа накаливания).
При последовательном соединении двух нелинейных сопротивлений ток в цепи является общим для обоих сопротивлений, а приложенное напряжение в любой момент равно сумме напряжений на
первом и втором нелинейном сопротивлении.
ВТОРОЙ ШАГ. Познакомимся с ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ
53
При параллельном соединении нелинейных сопротивлений ток
в неразветвленной цепи в любой момент равен сумме токов в этих
сопротивлениях, а напряжение на зажимах цепи является общим для
обоих сопротивлений.
Расчет при смешанном соединении сопротивлении производится
так же, как линейных, с заменой результатов на одно общее и т. д.
2.4. Зависимости тока
Зависимость силы тока от напряжения
+
Подключаем потенциометр к клеммам 5 вольт источника тока
нашего БП. Изменяем напряжение потенциометром. Собираем электрическую цепь по схеме, проводим измерения, меняя напряжение и
сопротивление цепи.
Случай 1. R3 = 22 Ом.
1. Подвижной контакт в верхнем полоV
R2=30 О м
жении резистора (рис. 2.19). Падение
R3=22 О м
напряжения на R1: U = 5 В.
5 В R1=4,7 кО м
/ Мэ)
частота вращения якоря, а также ЭДС и ток в его обмотке будут возрастать, что увеличит тормозной электромагнитный момент.
При нарушении равновесия моментов частота вращения якоря,
ЭДС и ток в его обмотке претерпевают изменения до восстановления
равновесия моментов, т. е. пока электромагнитный момент генератора
не станет равным вращающему моменту первичного двигателя.
Таким образом, любое изменение момента первичного двигателя,
т. е. потребляемой генератором мощности, вызывает соответствующее
изменение как электромагнитного момента генератора, так и вырабатываемой им мощности.
Также при изменениях нагрузки генератора потребуется соответствующее изменение момента первичного двигателя для поддержания
постоянства частоты вращения якоря генератора.
Ток обмотки якоря I при нагрузке генератора встречает на своем
пути сопротивление внешней нагрузки Rн, сопротивление обмотки
якоря Ro6 и сопротивление переходных контактов между щетками и
коллектором Rщ.
Обозначив через Rя внутреннее сопротивление машины, представляющее собой сумму сопротивлений обмотки якоря и щеточных контактов (Rоб + Rщ), для тока в якоре можем записать следующее выражение: I = E/(Rя + Rн).
Сопротивление Rщ непостоянно и зависит от многих факторов:
величины и направления тока, состояния коллектора, силы нажатия
щеток на коллектор, частоты вращения.
Падение напряжения в щеточных контактах остается примерно
неизменным при изменениях нагрузки (принимается равным 2 В на
264
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
пару угольных и графитных щеток). Поэтому внутреннее сопротивление машины Rя также непостоянно при изменении нагрузки генератора.
Так как IRn = U, где U — напряжение на зажимах генератора при
нагрузке, то получим следующее уравнение равновесия ЭДС для генератора: U = E – IRя.
Из уравнения равновесия ЭДС легко получить уравнение мощностей, т. е.
UI = EI – IRя или Р2 = Рэ – I2Rя,
где Р2 — полезная мощность генератора, отдаваемая потребителю
электрической энергии;
Рэ — внутренняя или электромагнитная мощность генератора,
преобразованная им в электрическую;
I2Rя = Pоб — потери мощности в обмотке якоря и щеточных контактах.
При холостом ходе генератора электромагнитная мощность равна
нулю (Рэ = 0), но для вращения якоря машины первичный двигатель
должен затратить некоторую мощность Р0, расходуемую на покрытие
потерь холостого хода.
Мощность Р0 складывается из механических потерь на трение в
подшипниках и трение о воздух вращающихся частей машины Рмex и
из потерь в стали на гистерезис и вихревые токи Рст.
В генераторах с самовозбуждением мощность Р0 включает также
мощность, затраченную на создание магнитного потока, т. е. на возбуждение машины.
При нагрузке генератора первичный двигатель затрачивает мощность
P1 = Pэ + P0.
Электромагнитный момент машины Мэ = Рэ/ω, где ω = 2πn/60 рад/с —
угловая скорость якоря.
Так как Рэ = ЕI и E = (pN/60 А) nФ, то электромагнитный момент
машины определится следующим выражением: Мэ = (pN/2πa) IФ.
Величины а, р и N постоянны для данной машины, поэтому выражение
pN/2πa = К
представляет собой некоторый постоянный для данной машины
коэффициент.
ДЕВЯТЫЙ ШАГ. Как устроены и работают МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
265
При этом электромагнитный момент равен: МЭ = КIФ, т. е. электромагнитный момент пропорционален произведению тока в якоре на
магнитный поток полюсов.
Способы возбуждения генераторов постоянного тока
Генераторы постоянного тока могут быть выполнены с магнитным
и электромагнитным возбуждением.
Для создания магнитного потока используют:
в генераторах с магнитным возбуждением — постоянные магниты;
в генераторах с электромагнитным возбуждением — электромагниты.
Постоянные магниты применяют лишь в машинах очень малых
мощностей. Таким образом, электромагнитное возбуждение является
наиболее широко используемым способом для создания магнитного
потока.
При этом способе возбуждения магнитный поток создается током,
проходящим по обмотке возбуждения.
В зависимости от способа питания обмотки возбуждения генераторы постоянного тока могут быть двух типов:
с независимым возбуждением:
с самовозбуждением.
При независимом возбуждении (рис. 9.12, а) обмотка возбуждения
включается в сеть вспомогательного источника энергии постоянного
тока. Для регулирования тока возбуждения Iв в цепи обмотки включено сопротивление Rp. При таком возбуждении ток Iв не зависит от
тока в якоре I.
Недостатком генераторов независимого возбуждения является
потребность в дополнительном источнике энергии. Поэтому генераторы независимого возбуждения находят очень ограниченное применение только в машинах высоких напряжений, у которых питание
обмотки возбуждения от цепи якоря недопустимо по конструктивным соображениям.
Генераторы с самовозбуждением в зависимости от включения
обмотки возбуждения могут быть параллельного (рис. 9.12, б), последовательного (рис. 9.12, в) и смешанного (рис. 9.12, г) возбуждения.
У генераторов параллельного возбуждения ток мал (несколько
процентов номинального тока якоря), и обмотка возбуждения имеет
большое число витков.
266
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
A
A
Iв
Rр
I
A
Iв
Iв
Rр
I
Rр
I
I
A
A
Iв
A
A
V
V
V
V
Rн
Rн
Rн
Rн
а
б
в
г
Рис. 9.12. Схемы возбуждения генераторов постоянного тока: независимого (а);
параллельного (б); последовательного (в); смешанного (г)
При последовательном возбуждении ток возбуждения равен току
якоря и обмотка возбуждения имеет малое число витков.
При смешанном возбуждении на полюсах генератора помещаются
две обмотки возбуждения — параллельная и последовательная.
Процесс самовозбуждения генераторов постоянного тока протекает одинаково при любой схеме возбуждения. Рассмотрим, например, процесс самовозбуждения в генераторах параллельного возбуждения, получивших наиболее широкое применение.
Какой-либо первичный двигатель вращает якорь генератора, магнитная цепь (ярмо и сердечники полюсов) которого имеет небольшой
остаточный магнитный поток Ф0. Этим магнитным потоком в обмотке
вращающегося якоря индуктируется ЭДС Е0, составляющая несколько
процентов номинального напряжения машины.
Под действием ЭДС Е0 в замкнутой цепи, состоящей из якоря и
обмотки возбуждения, проходит ток Iв.
Магнитодвижущая сила обмотки возбуждения ωIв (ω — число витков) направлена согласно с потоком остаточного магнетизма, увеличивая магнитный поток машины Ф, что вызывает повышение как ЭДС
в обмотке якоря Е, так и тока в обмотке возбуждения Iв. Увеличение
последнего приводит к дальнейшему возрастанию Ф, что, в свою очередь, увеличивает Е и Iв.
Из-за насыщения стали магнитной цепи машины самовозбуждение
происходит не беспредельно, а до какого-то определенного напряжения, зависящего от частоты вращения якоря машины и сопротивления в цепи обмотки возбуждения.
При насыщении стали магнитной цепи увеличение магнитного
потока замедляется, и процесс самовозбуждения заканчивается.
ДЕВЯТЫЙ ШАГ. Как устроены и работают МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
267
Увеличение сопротивления в цепи обмотки возбуждения уменьшает как ток в ней, так и магнитный поток, возбуждаемый этим током.
Поэтому уменьшается ЭДС и напряжение, до которого возбуждается
генератор.
Напряжение так же, как и ЭДС, прямо пропорционально частоте,
вследствие чего с изменением частоты вращения изменяется и напряжение, до которого возбуждается генератор.
Характеристики генераторов постоянного тока
Характеристики генератора определяют его рабочие свойства и
представляют зависимость между основными величинами, которыми
являются ЭДС в обмотке якоря Е, напряжение на его зажимах U, ток в
якоре I, ток возбуждения Iв и частота вращения якоря n.
Характеристики представляют собой зависимости между двумя из
указанных основных величин при неизменных остальных. Эти зависимости имеют различный вид для генераторов разных типов.
Снятие всех характеристик машины производится при постоянной
частоте вращения якоря, так как при изменении частоты значительно
изменяются все характеристики генератора.
Характеристика холостого хода генератора представляет собой
зависимость между ЭДС в якоре и током возбуждения, снятую при
отсутствии нагрузки и постоянной частоте вращения.
Для генераторов независимого возбуждения при отсутствии
нагрузки (холостой ход) ток в якоре равен нулю. ЭДС, индуктированная в обмотке якоря, равна
Е = СnФ.
Поэтому при постоянной частоте вращения ЭДС окажется прямо
пропорциональной магнитному потоку.
Примечание.
Можно сказать, что в измененном масштабе характеристика холостого хода представляет магнитную характеристику машины.
При Iв = 0 магнитная цепь машины (главным образом ярмо) имеет
некоторый остаточный магнитный поток Ф0, который индуктирует
в обмотке якоря ЭДС Е (рис. 9.13, а). Эта ЭДС составляет несколько
процентов (2—5%) номинального напряжения машины.
268
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
С увеличением тока в
обмотке возбуждения возрас1
A
B
1
E OCT
C 3 тают как магнитный поток,
3
Iв
так и ЭДС, индуктированная
в обмотке якоря. Таким образом, при постоянном постеIв
пенном увеличении Iв возрастает
и ЭДС (кривая 1).
а
б
Если после снятия восРис. 9.13. Характеристика холостого хода
ходящей ветви от точки А
генератора независимого возбуждения:
а — при перемагничивании стали;
начать постепенно понижать
б — при изменении частоты вращения якоря
ток возбуждения Iв, то ЭДС
также начнет уменьшаться, но за счет гистерезиса нисходящая ветвь
(кривая 2) пойдет несколько выше восходящей ветви этой характеристики.
Изменяя Iв не только по величине, но и по направлению, можно
снять весь цикл перемагничивания стали машины.
Практически восходящая и нисходящая ветви магнитной характеристики имеют крайне незначительное расхождение, и за основную
характеристику принимается средняя зависимость (кривая 3).
На (рис. 9.13, б) показаны характеристики холостого хода, снятые
при различной частоте вращения якоря генератора.
Вращению якоря машины с номинальной частотой nн, указанной
в паспорте генератора, соответствует кривая 1. Для всех машин нормального типа точка номинального напряжения (точка А) находится
на перегибе магнитной характеристики.
Выбор точки номинального напряжения на линейном участке магнитной характеристики приводит к резким колебаниям напряжения
на зажимах генератора при нагрузке, так как незначительные колебания магнитодвижущей силы вызывают резкое изменение ЭДС.
Выбор этой точки на пологом участке магнитной характеристики
приводит к ограничению регулирования напряжения на зажимах
генератора, так как для изменения ЭДС требуются очень большие
изменения тока возбуждения.
При частоте вращения, отличной от номинальной частоты вращения якоря генератора, меняется характеристика холостого хода, так
как ЭДС пропорциональна частоте. При n' > nн характеристика холостого хода расположится выше (кривая 2), а при n' < nн — ниже (кривая 3), чем при номинальной частоте вращения.
E
2
A
E
2
ДЕВЯТЫЙ ШАГ. Как устроены и работают МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
269
Следовательно, при изменении частоты вращения якоря точка номинального напряжения окажется либо на линейном (точка В), либо на
пологом (точка С) участке магнитной характеристики. Это вызывает
изменение всех характеристик генератора. Поэтому первичный двигатель для вращения якоря генератора надо выбирать так, чтобы его
частота вращения была близкой к номинальной частоте генератора.
Для генераторов параллельного возбуждения при холостом ходе
ток в якоре равен току возбуждения (I = Iв). Так как этот ток составляет малую величину (несколько процентов номинального тока генератора), то напряжение на зажимах машины при холостом ходе будет
примерно равным ЭДС. Характеристика холостого хода этого генератора практически совпадет с характеристикой генератора независимого возбуждения.
Однако весь цикл перемагничивания в генераторах параллельного
возбуждения снять нельзя. Ведь при изменении направления тока в
обмотке возбуждения магнитный поток ее будет направлен встречно
потоку остаточного магнетизма, и самовозбуждение генератора окажется невозможным.
Для генератора последовательного возбуждения характеристика
холостого хода смысла не имеет, так как при холостом ходе в якоре и
обмотке возбуждения ток равен нулю, и характеристика может быть
снята только по схеме независимого возбуждения.
Для этого обмотка возбуждения генератора должна быть включена
в сеть какого-либо независимого источника тока.
Для генераторов смешанного возбуждения характеристика холостого хода совпадает с характеристикой генератора параллельного
возбуждения.
Внешняя характеристика представляет собой зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки. Эта характеристика
соответствует естественным условиям работы машины, т. е. машина
нерегулируема (сопротивление цепи возбуждения RB постоянно) и
снимается при неизменной частоте вращения.
Для генераторов независимого возбуждения при постоянном RB
неизменен также и ток возбуждения Iв. Внешние характеристики
такого генератора показаны на (рис. 9.14).
Кривая 1 представляет собой внешнюю характеристику на понижение напряжения, соответствующую току обмотки возбуждения,
при котором напряжение генератора равно номинальному при холостом ходе.
270
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
С возрастанием нагрузки (тока I в
якоре генератора) увеличивается:
DUпв
Uн
и падение напряжения в сопротивDUпн
лении его обмотки;
1
и размагничивающее действие реакции якоря.
I
0
Iн
Это вызывает понижение напряжения.
При изменении нагрузки от нуля до номиРис. 9.14. Внешняя
характеристика генератора
нальной напряжение на зажимах генеранезависимого возбуждения
тора уменьшается на величину ∆Uпн.
Характеристике на повышение напряжения (кривая 2) соответствует такой ток возбуждения, чтобы при номинальной нагрузке генератора напряжение на его зажимах было равно номинальному, после
чего нагрузка генератора уменьшается.
С уменьшением нагрузки (тока в якоре) также снижается как падение напряжения в сопротивлении обмотки якоря и щеточных контактах, так и размагничивающее действие реакции якоря, что вызывает
повышение напряжения.
При изменении нагрузки от номинальной до 0 напряжение на
зажимах генератора увеличивается на величину ∆Uпв.
За счет насыщения стали повышение напряжения меньше, чем
понижение, так как размагничивающее действие реакции якоря будет
сказываться тем сильнее, чем меньше степень насыщения стали.
В генераторах параллельного возбуждения при постоянном сопротивлении цепи возбуждения RB ток возбуждения не остается постоянным, так как зависит от напряжения на зажимах генератора, которое
при изменении нагрузки меняется.
В генераторах независимого возбуждения
увеличение нагрузки вызывает понижеU
ние напряжения под воздействием падения
3
напряжения в сопротивлении машины и
1
реакции якоря (кривая 1 на рис. 9.15).
2
Imax
В генераторах параллельного возбуждения при уменьшении напряжения также
I
уменьшается ток возбуждения, что вызывает
0
Iк
Iн
уменьшение магнитного потока и понижение
Рис. 9.15. Внешняя
характеристика генератора напряжения.
параллельного возбуждения
Следовательно, при увеличении нагрузки
напряжение на зажимах генератора этого
U
2
ДЕВЯТЫЙ ШАГ. Как устроены и работают МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
271
типа уменьшается в большей мере (кривая 2 на рис. 9.15), чем в генераторах независимого возбуждения.
Уменьшение внешнего сопротивления нагрузки вызывает увеличение тока до некоторого значения Iмакс, не превышающего номинальный ток более чем в 2—2,5 раза.
При дальнейшем уменьшении внешнего сопротивления ток уменьшается и при коротком замыкании будет значительно меньше номинального.
Понижение сопротивления нагрузки вызывает уменьшение тока
возбуждения, так как напряжение генератора понижается. Если ток
возбуждения уменьшился настолько, что машина оказалась размагниченной, то ЭДС понижается в большей степени, чем сопротивление
нагрузки, что вызывает уменьшение тока в якоре.
При коротком замыкании генератора параллельного возбуждения ток Iв равен нулю, и обмотка возбуждения не создает магнитного
потока.
Поэтому в обмотке якоря будет ЭДС только от остаточного магнитного потока Е0, имеющая малое значение, и, следовательно, ток
короткого замыкания Iк будет также мал.
Внешняя характеристика на повышение
напряжения у генератора параллельного U
1
возбуждения (кривая 3 на рис. 9.15) имеет
2
такой же вид, как у генератора независимого
возбуждения.
Для генератора последовательного возEост
буждения внешняя характеристика покаI
0
Iн
зана на (рис. 9.16). В генераторах этого
типа ток возбуждения равен току якоря
Рис. 9.16. Внешняя
(Iв = I), и при холостом ходе (I = 0) в обмотке характеристика генератора
последовательного
якоря будет создана ЭДС Е0 за счет остаточвозбуждения
ного магнетизма.
С увеличением нагрузки также возрастет ток в обмотке возбуждения, что вызывает увеличение ЭДС (кривая 1 на рис. 9.16).
Напряжение на зажимах генератора при нагрузке меньше ЭДС
вследствие падения напряжения в сопротивлении машины и реакции
якоря (кривая 2 на рис. 9.16).
Таким образом, у генераторов последовательного возбуждения
напряжение резко меняется с изменением нагрузки, поэтому они не
нашли применения.
272
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
В генераторах смешанного возбуждения возможно согласное и
встречное включение последовательной и параллельной обмоток.
При согласном включении обмоток возбуждения результирующая
магнитодвижущая сила, создающая магнитный поток, равна сумме
магнитодвижущих сил параллельной и последовательной обмоток, а
при встречном включении — разности этих магнитодвижущих сил.
На рис. 9.17 показаны внешние характеU
3
ристики генератора смешанного возбуждения. С увеличением нагрузки такого генераUн
1
2
тора уменьшается напряжение на его зажи4
мах в результате падения напряжения в его
Imax
сопротивлении и реакции якоря. Однако с
увеличением нагрузки возрастает также ток
I
0
Iк
Iн
в последовательной обмотке возбуждения.
Рис. 9.17. Внешняя
Поэтому при согласном включении обмохарактеристика генератора
ток
увеличение нагрузки вызывает увелисмешанного возбуждения
чение магнитного потока и ЭДС обмотки
якоря.
Если ЭДС с повышением нагрузки возрастает на величину, равную
понижению напряжения генератора, так как падает напряжение в его
сопротивлении и реакции якоря, то напряжение на зажимах генератора будет практически оставаться неизменным при изменении
нагрузки от холостого хода до номинальной (кривая 1 на рис. 9.17).
Такой генератор, называемый нормально возбужденным, не требует регулировки тока возбуждения при изменениях нагрузки.
При уменьшении числа витков последовательной обмотки ЭДС с
возрастанием нагрузки будет увеличиваться в меньшей степени, и не
будет компенсировать понижения напряжения. Поэтому напряжение
на зажимах генератора будет уменьшаться (кривая 2 на рис. 9.17), т. е.
генератор недовозбужден.
Если число витков последовательной обмотки возбуждения больше,
чем то, которое соответствует нормальному возбуждению машины, то
генератор окажется перевозбужденным, и напряжение на его зажимах
будет возрастать с увеличением нагрузки (кривая 3 на рис. 9.17).
При встречном включении обмоток возбуждения внешняя характеристика подобна внешней характеристике генератора параллельного возбуждения (кривая 4 на рис. 9.17), однако токи максимальный
Iмакс и короткого замыкания Iк у генератора смешанного возбуждения
будут меньше соответствующих токов генератора параллельного воз-
ДЕВЯТЫЙ ШАГ. Как устроены и работают МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
273
буждения в результате размагничивающего действия магнитодвижущих сил последовательной обмотки.
Наиболее часто применяют генераторы нормально возбужденные,
а также перевозбужденные, позволяющие компенсировать падение
напряжения в линии, соединительных проводах и т. д. с тем, чтобы
напряжение на нагрузке оставалось постоянным при изменении
тока.
Генераторы со встречным включением обмоток возбуждения не
обеспечивают постоянства напряжения и поэтому широкого применения не нашли. Их используют лишь в тех случаях, когда необходимо ограничить токи коротких замыканий (например, при электросварке).
Регулировочная характеристика генератора представляет собой
зависимость тока возбуждения от тока нагрузки, снимаемая при
постоянном напряжении на зажимах генератора.
Регулировочная характеристика генератора показывает, в какой
мере следует изменить ток в обмотке возбуждения для того, чтобы
напряжение на зажимах генератора оставалось постоянным при изменении тока нагрузки.
В генераторах независимого и параллельного возбуждения с увеличением тока нагрузки необходимо увеличить ток возбуждения для
того, чтобы скомпенсировать падение напряжения на внутреннем
сопротивлении машины и размагничивающее действие потока реакции якоря.
В генераторах смешанного возбуждения (нормально возбужденных) напряжение при изменении нагрузки не претерпевает изменений, и, следовательно, необходимость регулирования тока возбуждения отпадает, т. е. регулировочная характеристика в таких генераторах
не имеет смысла, так как ток возбуждения постоянен при изменениях
тока нагрузки.
274
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
9.5. Пуск, характеристики, регулирование
частоты вращения двигателей постоянного тока.
Потери и КПД машин постоянного тока
Работа машины постоянного тока в режиме двигателя
При включении двигателя постоянного тока в сеть под действием
приложенного напряжения проходит ток как в обмотке якоря, так и
в обмотке возбуждения. Ток возбуждения создает магнитный поток
полюсов.
В результате взаимодействия тока в проводниках
U
обмотки якоря с магнитным полем полюсов создается вращающий момент, и якорь машиныприходит
во вращение. Таким образом, электрическая энергия
преобразуется в энергию механическую.
Rр
Положим, что генератор параллельного возбуждения включен в сеть большой мощности (рис. 9.18).
Ток нагрузки генератора определяется следующим Рис. 9.18. Схема
включения
выражением:
генератора
параллельного
возбуждения в сеть
I = (E – U)/Rя,
где I — ток в обмотке якоря;
Rя — сопротивление этой обмотки;
Е — ЭДС, индуктируемая в этой же обмотке;
U — напряжение сети.
Направление ЭДС и тока в активных проводах якоря показано на
схеме (рис. 9.19, а). Машина развивает электромагнитный момент Мэ,
N
N
n
Е; Iя
Е; Iя
Iя
n
Mэ
Mэ
M1
Е; Iя
а
S
Iя
Е; Iя
б
S
Рис. 9.19. Схема работы машины постоянного тока в режимах:
генератора (а); двигателя (б)
ДЕВЯТЫЙ ШАГ. Как устроены и работают МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
275
являющийся тормозным, т. е. потребляет механическую энергию и
вырабатывает энергию электрическую.
Если понизить ток возбуждения, то уменьшится как магнитный
поток, так и ЭДС, индуктируемая в обмотке якоря. Это вызовет уменьшение нагрузки генератора.
Изменяя сопротивление регулировочного реостата, можно довести ток возбуждения до такой величины, при которой ЭДС в обмотке
якоря будет равна напряжению сети (E = U), а ток в якоре равен нулю.
Т. е. генератор работает вхолостую.
При токе возбуждения меньшем тока, соответствующего холостой
работе генератора, ЭДС обмотки якоря будет меньше напряжения
сети, и ток в якоре изменит направление на обратное (рис. 9.19, б).
При изменении направления тока в проводниках обмотки якоря
также изменится направление электромагнитного момента Мэ, развиваемого машиной, т. е. момент станет вращающим.
Вывод.
Таким образом, машина, потребляя электрическую энергию, вырабатывает энергию механическую, т. е. работает двигателем.
Если отключить первичный двигатель, то якорь машины будет продолжать вращаться под действием развиваемого электромагнитного
момента Мэ.
При вращении якоря в проводниках его обмотки индуктируется
ЭДС, направление которой противоположно направлению тока.
Поэтому ее называют противо-ЭДС или обратной ЭДС.
Противо-ЭДС играет роль регулятора потребляемой мощности,
т. е. потребляемый ток изменяется вследствие изменения противоЭДС, равной Е = СnФ.
Вращающий момент, развиваемый двигателем, Мэ = КIФ.
Приложенное напряжение уравновешивается противо-ЭДС и падением напряжения в сопротивлении обмотки якоря и щеточных контактов. Следовательно, U = E + IRя.
Ток в обмотке и частота вращения якоря определяются следующими выражениями:
I = (U – E)/Rя и n = (U – IRя)/CФ.
Направление вращения якоря двигателя зависит от полярности
полюсов и от направления тока в проводниках обмотки якоря. Таким
276
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
образом, для реверсирования двигателя, т. е. для изменения направления вращения якоря, нужно либо изменить полярность полюсов,
переключив обмотку возбуждения, либо изменить направление тока
в обмотке якоря.
Обмотка возбуждения обладает значительной индуктивностью, и
переключение ее нежелательно. Поэтому реверсирование двигателей
постоянного тока обычно заключается в переключении обмотки якоря.
Пуск двигателей постоянного тока
В начальный момент пуска в ход якорь двигателя неподвижен, и
противо-ЭДС равна нулю (Е = 0). При непосредственном включении
двигателя в сеть в обмотке якоря будет протекать чрезмерно большой
ток Iпуск = U/Rя. Поэтому непосредственное включение в сеть допускается только для двигателей очень малой мощности, у которых падение
напряжения в якоре представляет относительно большую величину и
броски тока не столь велики.
В машинах постоянного тока большой мощности падение напряжения в обмотке якоря при полной нагрузке составляет несколько процентов от номинального напряжения, т. е. IRя = (0,02—0,1)U.
Следовательно, пусковой ток, в случае включения двигателя в сеть
с номинальным напряжением, во много раз превышает номинальный.
Для ограничения пускового тока используют пусковые реостаты,
включаемые последовательно с якорем двигателя при пуске в ход.
Пусковые реостаты представляют собой проволочные сопротивления, рассчитываемые на кратковременный режим работы. Они
выполняются ступенчатыми. Это дает возможность изменять ток в
якоре двигателя в процессе пуска его в ход.
Схема двигателя параллельного возбуждения с пусковым реостатом показана на (рис. 9.20, а).
Пусковой реостат этого двигателя имеет три зажима, обозначаемые буквами Л, Я, Ш.
Зажим Л соединен с движком реостата и подключается к одному из
полюсов рубильника (к линии). Зажим Я соединяется с сопротивлением реостата и подключается к зажиму якоря. Зажим Ш соединен с
металлической шиной, помещенной на реостате (шунт).
Движок реостата скользит по шине так, что между ними имеется
непрерывный контакт. К зажиму Ш через регулировочное сопротивление Rр присоединяется обмотка возбуждения. Вторые зажимы якоря и
ДЕВЯТЫЙ ШАГ. Как устроены и работают МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
277
ПР
0
2
1
n, Mэ
3
Мэ
4
Л
n
5
Ш
Я
Rр
Iн
а
I
б
Рис. 9.20. Схема (а) и характеристики (б) двигателя параллельного возбуждения
обмотки возбуждения соединены между собой перемычкой и подключены ко второму полюсу рубильника, включающего двигатель в сеть.
При пуске в ход включается рубильник и движок реостата переводится на контакт 1, так что последовательно с якорем соединено
полное сопротивление пускового реостата ПР, которое выбирается
таким, чтобы наибольший ток при пуске в ход Imах не превышал номинальный ток более чем в 1,7—2,5 раза, т. е.
Rп = U/Imax – Rя.
При включении двигателя в сеть по обмотке возбуждения также
проходит ток, возбуждающий магнитный поток. В результате взаимодействия тока в якоре с магнитным полем полюсов создается пусковой момент.
Если пусковой момент окажется больше тормозного момента на
валу двигателя (Мпуск > Мт), то якорь машины придет во вращение.
Под действием инерции частота вращения не может претерпевать
мгновенных изменений и будет постепенно увеличиваться. Вместе с
ней возрастает противо-ЭДС, и ток в якоре начнет уменьшаться. Это
вызывает уменьшение вращающего момента двигателя.
В рабочем режиме сопротивление пускового реостата должно быть
полностью выведено, так как оно рассчитано на кратковременный
режим работы и при длительном прохождении тока выйдет из строя.
Когда ток в якоре уменьшится до небольшого значения Imin, движок
пускового реостата переводится на контакт 2. При этом сопротивление
пускового реостата уменьшится на одну ступень, что увеличит ток.
Сопротивление всех ступеней пускового реостата выбирают так,
чтобы при переводе движка реостата с одного контакта на другой ток
в якоре изменялся от Imin до Imax.
278
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
С увеличением тока в якоре возрастает вращающий момент, вследствие чего частота вращения вновь увеличивается. С увеличением
частоты вращения якоря возрастает противо-ЭДС, что вызовет уменьшение тока в якоре.
Когда ток в якоре достигает вновь наименьшего значения, движок
реостата переводится на контакт 3.
Таким образом, сопротивление пускового реостата постепенно
(ступенями) уменьшается, пока оно полностью не будет выведено
(движок реостата на контакте 5), и в рабочем режиме ток и частота
вращения якоря принимают установившиеся значения, соответствующие тормозному моменту на валу двигателя. Наименьший ток при
пуске в ход зависит от режима работы двигателя.
Если двигатель пускается при полной нагрузке, то Imin = 1,1Iн.
Примечание.
При пуске двигателя без нагрузки или при малых нагрузках этот
ток может быть меньше номинального тока двигателя.
Число ступеней пускового реостата зависит от разности Imax – Imin.
Причем чем меньше разность этих токов, тем больше число ступеней.
Обычно пусковые реостаты имеют от 2 до 7 ступеней.
При пуске двигателя в ход регулировочное сопротивление Rv в цепи
возбуждения должно быть полностью выведено. Т. е. ток возбуждения
должен быть наибольшим, что дает возможность уменьшить пусковой ток.
Для пуска двигателя необходимо создать пусковой момент, больший тормозного момента на валу. Так как Mпуск = KIпускФ, то для уменьшения пускового тока надо увеличить магнитный поток, т. е. увеличить ток в обмотке возбуждения.
Металлическая шина пускового реостата соединена с зажимом 1.
Это необходимо для того, чтобы при отключении двигателя от сети
не было разрыва цепи обмотки возбуждения, имеющей значительную
индуктивность.
При отключении двигателя движок пускового реостата переводится
на холостой контакт 0 и рубильник отключается. При этом обмотка
возбуждения будет замкнута на сопротивление пускового реостата и
якоря, что дает возможность избежать перенапряжений и дугообразования.
ДЕВЯТЫЙ ШАГ. Как устроены и работают МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
279
Характеристики двигателей постоянного тока
Рабочие свойства двигателей определяются их рабочими характеристиками, представляющими собой зависимости частоты вращения
n, вращающего момента Мэ, потребляемого тока I, мощности P1 и КПД
η от полезной мощности на валу Р2.
Эти зависимости соответствуют естественным условиям работы
двигателя, т. е. машина не регулируется, а напряжение сети остается
постоянным.
При изменении полезной мощности P2 (т. е. нагрузки на валу) изменяется также и ток в якоре машины, поэтому рабочие характеристики
часто строятся в зависимости от тока в якоре.
Зависимости вращающего момента и частоты вращения от тока
в якоре для двигателя параллельного возбуждения изображены на
(рис. 9.20, б). Частота вращения двигателя определяется следующим
выражением:
n = (U – IRя)/СФ.
С увеличением нагрузки на валу двигателя возрастает также и ток
в якоре. Это вызывает увеличение падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря и щеточных контактах.
Так как ток возбуждения остается неизменным (машина нерегулируема), то магнитный поток также постоянен.
Однако при повышении тока в якоре увеличивается размагничивающее действие потока реакции якоря и магнитный поток Ф несколько
уменьшится.
Увеличение IRя вызывает понижение частоты вращения двигателя,
а уменьшение Ф повышает частоту. Обычно падение напряжения влияет на изменение частоты в несколько большей степени, чем реакция
якоря, так что с увеличением тока в якоре частота уменьшается.
Изменение частоты вращения у двигателя этого типа незначительно. Оно не превышает 5% при изменении нагрузки от нуля до
номинальной. Т. е. двигатели параллельного возбуждения имеют
жесткую скоростную характеристику.
Вращающий момент двигателя определяется так: Мэ = КIФ.
При неизменном магнитном потоке зависимость момента от тока в
якоре может быть представлена прямой линией. Но под воздействием
реакции якоря с увеличением нагрузки в некоторой степени уменьшится магнитный поток, и зависимость момента отклонится вниз от
прямой линии.
280
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
0
n, Mэ
ПР
1
Мэ
2
3
4
n
I
Imin
а
б
Iн
Рис. 9.21. Схема (а) и характеристики (б) двигателя последовательного возбуждения
Схема двигателя последовательного возбуждения показана на
рис. 9.21, а. Пусковой реостат этого двигателя имеет только два
зажима, так как обмотка возбуждения и якорь образуют одну последовательную цепь.
Характеристики двигателя изображены на рис. 9.21, б. Частота вращения двигателя последовательного возбуждения определяется следующим выражением:
n = (U – I (Rя + Rc))/СФ,
где Rc — сопротивление последовательной обмотки возбуждения.
В двигателе последовательного возбуждения магнитный поток не
остается постоянным, а резко изменяется с изменением нагрузки. Это
вызывает значительное изменение частоты вращения. Так как падение
напряжения в сопротивлении якоря и в обмотке возбуждения очень
мало в сравнении с приложенным напряжением, то частоту вращения
можно приближенно определить следующим выражением:
n = U/СФ.
Если пренебречь насыщением стали, то можно считать магнитный поток пропорциональным току в обмотке возбуждения, который
равен току в якоре.
Вывод.
Следовательно, у двигателя последовательного возбуждения
частота вращения обратно пропорциональна току в якоре и она
резко уменьшается с увеличением нагрузки, т. е. двигатель имеет
мягкую скоростную характеристику.
ДЕВЯТЫЙ ШАГ. Как устроены и работают МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
281
Внимание.
С уменьшением нагрузки частота вращения двигателя увеличивается. При холостом ходе (Iя = 0) частота вращения двигателя беспредельно возрастает, т. е. двигатель идет в разнос. Таким образом, характерным свойством двигателей последовательного возбуждения является недопустимость сброса нагрузки, т. е. работы
вхолостую или при малых нагрузках.
Двигатель имеет минимальную допустимую нагрузку, составляющую 25—30% номинальной. При нагрузке меньше минимально допустимой частота вращения двигателя резко увеличивается, что может
вызвать его разрушение. Поэтому, когда возможны сбросы или резкие
уменьшения нагрузки, двигатели последовательного возбуждения не
применяют.
В двигателях очень малых мощностей сброс нагрузки не вызывает
разноса, так как механические потери их будут достаточно большой
нагрузкой для них.
Вращающий момент двигателя последовательного возбуждения,
учитывая пропорциональную зависимость между магнитным потоком и током в якоре (Ф = С'I), можно определить следующим выражением:
Mэ = KIФ = К'I2
где К' = КС', т. е. вращающий момент пропорционален квадрату тока.
Однако при больших токах сказывается насыщение стали и зависимость момента приближается к прямой линии.
Примечание.
Таким образом, двигатели этого типа развивают большие вращающие моменты, что имеет существенное значение при пуске
больших инерционных масс и перегрузках. Эти двигатели широко
используют в транспортных и подъемных устройствах.
При смешанном возбуждении возможно как согласное, так и
встречное включение обмоток возбуждения.
Двигатели со встречным включением обмоток не нашли широкого
применения, так как они обладают плохими пусковыми свойствами и
работают неустойчиво.
282
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
Характеристики двигателей смешанного возбуждения занимают
промежуточное положение между характеристиками двигателей
параллельного и последовательного возбуждения.
Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока
Двигатели постоянного тока получили широкое распространение
и часто являются незаменимыми благодаря ценному свойству — возможности плавно и экономично регулировать частоту вращения в
широких пределах.
Частота вращения якоря двигателя при любой схеме возбуждения
определяется следующим выражением:
n = (U – I (Rя – Rc))/СФ,
где Rc — сопротивление последовательной обмотки возбуждения (для
двигателя параллельного возбуждения Rс = 0).
Это выражение показывает, что частота вращения двигателя зависит от напряжения сети, сопротивления цепи якоря и магнитного
потока.
Частоту вращения регулируют путем изменения напряжения сети в
том случае, когда источником электрической энергии двигателя является какой-либо генератор.
Для регулирования частоты вращения двигателя изменением
сопротивления цепи якоря используют регулировочный реостат,
включенный последовательно с якорем.
В отличие от пускового регулировочный реостат должен быть рассчитан на длительное прохождение тока. В сопротивлении регулировочного реостата происходит большая потеря энергии, вследствие
чего резко уменьшается КПД двигателя.
Регулируют частоту вращения якоря двигателя изменением магнитного потока, который зависит от тока в обмотке возбуждения.
В двигателях параллельного и смешанного возбуждения для изменения тока включают регулировочный реостат, а в двигателях последовательного возбуждения для этой цели шунтируют обмотку возбуждения каким-либо регулируемым сопротивлением.
Последний способ регулирования частоты практически не создает
дополнительных потерь и экономичен.
ДЕВЯТЫЙ ШАГ. Как устроены и работают МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
283
Потери и КПД машин постоянного тока
В машинах постоянного тока при работе происходит потеря энергии, которая складывается из трех составляющих.
Первой составляющей являются потери в стали Рст на гистерезис
и вихревые токи, возникающие в сердечнике якоря. При вращении
якоря машины сталь его сердечника непрерывно перемагничивается.
На ее перемагничивание затрачивается мощность, называемая потерями на гистерезис.
Одновременно при вращении якоря в магнитном поле в сердечнике
его индуктируются вихревые токи. Потери на гистерезис и вихревые
токи, называемые потерями в стали, обращаются в тепло и нагревают
сердечник якоря.
Потери в стали зависят от магнитной индукции и частоты перемагничивания сердечника якоря.
Магнитная индукция определяет ЭДС машины или, иначе, напряжение, а частота перемагничивания зависит от частоты вращения
якоря. Поэтому при работе машины постоянного тока в режиме генератора или двигателя потери в стали будут постоянными, не зависящими от нагрузки, если напряжение на зажимах якоря и частота его
вращения постоянны.
Ко второй составляющей относятся потери энергии на нагревание
проводов обмоток возбуждения и якоря проходящими по ним токами,
называемые потерями в меди, — Робм.
Потери в обмотке якоря и в щеточных контактах зависят от тока в
якоре, т. е. являются переменными, меняются при изменениях нагрузки.
Третья составляющая — механические потери Рмех, представляющие собой потери энергии на трение в подшипниках, трение вращающихся частей о воздух и щеток о коллектор. Эти потери зависят
от частоты вращения якоря машины. Поэтому механические потери
также постоянны, не зависят от нагрузки.
КПД машины в процентах:
η = (P2/P1)×100%
где Р2 — полезная мощность;
Р1 — потребляемая машиной мощность.
При работе машины генератором полезная мощность P2 = UI, где
U — напряжение на зажимах генератора; I — ток в нагрузке.
284
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
9.6. Вопросы для тестирования
Вопрос №1.
Почему на практике не применяют генератор постоянного тока
последовательного возбуждения?
a) Напряжение на зажимах генератора резко изменяется при изменении нагрузки; б) напряжение на зажимах генератора не изменяется
при изменении нагрузки; в) ЭДС уменьшается при увеличении нагрузки;
г) ЭДС генератора не изменяется.
Вопрос №2.
При постоянном напряжении питания двигателя постоянного тока
параллельного возбуждения магнитный поток возбуждения уменьшился. Как изменилась частота вращения?
a) Уменьшилась; б) не изменилась; в) увеличилась; г) периодически
изменяется.
Вопрос №3.
Регулировочная характеристика генератора постоянного тока независимого возбуждения — это зависимость...
a) Нет зависимости; б) ... Е от Iвозб; в) ... Iвозб от Iнarp; г) ... U от I нагр.
Вопрос №4.
Номинальный ток двигателя постоянного тока с последовательным
возбуждением Iном = 50 А. Чему равен ток обмотки возбуждения?
a) 100 А; б) 50 А; в) 25 А; г) 250 А.
Вопрос №5.
Почему сердечник якоря машины постоянного тока набирают из
листов электротехнической стали, изолированных между собой?
a) Для уменьшения потерь мощности от перемагничивания и вихревых токов; б) из конструктивных соображений; в) для уменьшения магнитного сопротивления потоку возбуждения; г) для шумопонижения.
ДЕВЯТЫЙ ШАГ. Как устроены и работают МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
285
Вопрос №6.
Генератор постоянного тока смешанного возбуждения это генератор, имеющий:
a) ... параллельную обмотку возбуждения; б) ... последовательную
обмотку возбуждения; в) ... параллельную и последовательную обмотки
возбуждения; г) ... особые обмотки возбуждения.
Вопрос №7.
Каково назначение реостата в цепи обмотки возбуждения двигателя постоянного тока?
a) Ограничить пусковой ток; б) регулировать напряжение на зажимах; в) увеличивать пусковой момент; г) регулировать скорость вращения.
Вопрос №8.
Мощность, потребляемая двигателем постоянного тока из сети
P1 = 1,5 кВт. Полезная мощность, отдаваемая двигателем в нагрузку,
Р2 = 1,125 кВт. Определить КПД двигателя.
a) 80%; б) 75%; в) 85%; г) 90%.
Вопрос №9.
Что произойдет с ЭДС генератора параллельного возбуждения при
обрыве цепи возбуждения?
a) ЭДС увеличится; б) ЭДС не изменится; в) ЭДС снизится до Еост;
г) ЭДС станет равной нулю.
Вопрос №10.
Пусковой ток двигателя постоянного тока превышает номинальный ток из-за:
a) отсутствия противо-ЭДС в момент пуска; б) малого сопротивления обмотки якоря; в) большого сопротивления обмотки возбуждения; г) малого сопротивления обмотки возбуждения.
ДЕ С ЯТ Ы Й Ш А Г
Знакомьтесь: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
Сделав ДЕСЯТЫЙ шаг, вы познакомитесь с полупроводниковыми приборами (диодами, транзисторами, тиристорами, микросхемами), которые составляют основу любой
электронной схемы. Узнаете вы и о газоразрядных приборах: что такое ионизация газа и электрический заряд, как
работают фотоэлементы и многое другое. И в завершении — ответите на вопросы для самотестирования.
10.1. Первое знакомство
с полупроводниковыми приборами
Электропроводность полупроводников
Полупроводниками называются материалы, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.
Особенностью металлических проводников является наличие свободных электронов — носителей электрических зарядов.
В диэлектриках свободных электронов нет, и поэтому они не проводят тока. В отличие от проводников полупроводники имеют не только
электронную, но и «дырочную» проводимости, которые в сильной степени зависят от температуры, освещенности, сжатия, электрического
поля и других факторов.
Химическую связь двух соседних атомов с образованием на одной
орбите общей пары электронов (рис. 10.1, а) называют ковалентной
или парноэлектронной. Ее условно изображают двумя линиями, соединяющими электроны (рис. 10.1, б).
Например, германий принадлежит к элементам четвертой группы
периодической системы элементов Менделеева и имеет на внешней
орбите четыре валентных электрона. Каждый атом в кристалле гер-
ДЕСЯТЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
287
мания образует ковалентные
4
4
связи с четырьмя соседними
атомами (рис. 10.1, в).
При отсутствии примесей и
4
4
температуре, близкой к абсоа
б
в
лютному нулю, все валентные
электроны атомов в кристалле
Рис. 10.1. Кристаллическая решетка
полупроводника:
германия взаимно связаны
a — парноэлектронная (ковалентная) связь атомов;
и свободных электронов нет,
б — схематическое изображение;
в — связи в кристаллической решетке германия
так что германий не обладает
проводимостью.
При повышении температуры или при облучении увеличивается
энергия электронов, что приводит к частичному нарушению ковалентных связей и появлению свободных электронов. Уже при комнатной
температуре под действием внешнего электрического поля свободные
электроны перемещаются, и в кристалле возникает электрический ток.
Определение.
Электропроводность, обусловленная перемещением свободных
электронов, называется электронной проводимостью полупроводника, или n-проводимостью.
При появлении свободных электронов в ковалентных связях образуется свободное, не заполненное электроном (вакантное) место —
«электронная дырка». Так как дырка возникла в месте отрыва электрона от атома, то в области ее образования возникает избыточный
положительный заряд.
При наличии дырки какой-либо из электронов соседних связей
может занять место дырки и нормальная ковалентная связь в этом
месте восстановится, но будет нарушена в том месте, откуда ушел
электрон. Новую дырку может занять еще какой-нибудь электрон
и т. д. Схема образования и заполнения дырки условно показана на
рис. 10.2.
4 3
2
1
4 3
4
2
3
4
2
3
2
1
1
Рис. 10.2. Образование и заполнение дырок в кристалле германия
1
288
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
В установленной наклонно подставке имеется четыре отверстия
(дырки), в которых расположено четыре шара (электрона). Если
шар 1 сместится вправо, то он освободит отверстие (дырку) и упадет
с подставки, а в отверстие, которое занимал этот шар, переместится
шар 2. Свободное отверстие (дырку) шара 2 займет шар 3, а отверстие
последнего — шар 4.
Под действием внешнего электрического поля дырки перемещаются в направлении сил поля, т. е. противоположно перемещению
электронов.
Определение.
Проводимость, возникающая в результате перемещения дырок,
называется дырочной проводимостью, или р-n проводимостью.
Таким образом, при электронной проводимости один свободный
электрон проходит весь путь в кристалле, а при дырочной проводимости большое число электронов поочередно замещают друг друга в
ковалентных связях и каждый из них проходит свой отрезок пути.
В кристалле чистого полупроводника при нарушении ковалентных
связей возникает одинаковое число свободных электронов и дырок.
Одновременно с этим происходит обратный процесс — рекомбинация, при которой свободные электроны заполняют дырки, образуя
нормальные ковалентные связи.
При определенной температуре число свободных электронов и
дырок в единице объема полупроводника в среднем остается постоянным. При повышении температуры число свободных электронов и
дырок сильно возрастает и проводимость германия значительно увеличивается.
Определение.
Электропроводность полупроводника при отсутствии в нем примесей называется его собственной электропроводностью.
Свойства полупроводника в сильной степени меняются при наличии в нем ничтожного количества примесей. Вводя в кристалл полупроводника атомы других элементов, можно получить в кристалле
преобладание свободных электронов над дырками или, наоборот,
преобладание дырок над свободными электронами.
ДЕСЯТЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
289
С вободны й
Например, при замеэлектрон
+4
+4
щении в кристаллической решетке атома
германия атомом пяти- +4
+5
+4
+3
+4
+4
валентного вещества
Д ы рка
(мышьяка, с у рьмы,
фосфора) четыре элек+4
+4
а
б
трона этого вещества
образуют заполненРис. 10.3. Схема связи примесей с германием:
а — пятивалентной (донорной);
ные связи с соседними
б — трехвалентной (акцепторной)
атомами германия, а
пятый электрон окажется свободным (рис. 10.3, а). Поэтому такая
примесь увеличивает электронную проводимость (n-проводимость)
и называется донорной.
При замещении атома германия атомом трехвалентного вещества
(индий, галлий, алюминий) его электроны вступят в ковалентную
связь с тремя соседними атомами германия, а связи с четвертым атомом германия будут отсутствовать, так как у индия нет четвертого
электрона (рис. 10.3, б).
Восстановление всех ковалентных связей возможно, если недостающий четвертый электрон будет получен от ближайшего атома германия. Но в этом случае на месте электрона, покинувшего атом германия, появится дырка, которая может быть заполнена электроном из
соседнего атома германия.
Последовательное заполнение свободной связи эквивалентно движению дырок.
Определение.
Примеси с меньшим числом валентных электронов в атоме по сравнению с атомом данного полупроводника вызывают преобладание
дырочной проводимости и называются акцепторными.
Определение.
Носители заряда, определяющие вид проводимости в примесном
полупроводнике, называются основными (дырки в р-полупроводнике
и электроны в n-полупроводнике), а носители заряда противоположного знака — неосновными.
290
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
Полупроводниковые диоды
Полупроводниковый диод (вентиль) представляет собой контактное соединение двух полупроводников, один из которых с электронной проводимостью (n-типа), а другой — с дырочной (р-типа).
Принцип действия представлен на рис. 10.4.
En
Вследствие большой концентрации
электронов в полупроводнике n-типа будет
n
p
происходить диффузия их из первого полупроводника во второй. Аналогично будет
Рис. 10.4. Полупроводниковый происходить диффузия дырок из второго
диод
полупроводника р-типа в первый n-типа.
В тонком пограничном слое полупроводника n-типа возникает положительный заряд, а в пограничном слое полупроводника
р-типа — отрицательный заряд. Между этими слоями возникает разность потенциалов (потенциальный барьер) и образуется электрическое поле напряженностью Еп, которая препятствует диффузии электронов и дырок из одного полупроводника в другой.
Таким образом, на границе двух полупроводников возникает тонкий слой, обедненный носителями зарядов (электронов и дырок) и
обладающий большим сопротивлением. Этот слой называется запирающим p-n-переходом.
Вследствие теплового движения в электрическое поле р-n-перехода
попадают неосновные носители зарядов (электроны из р-области и
дырки из n-области).
Определение.
Движение неосновных носителей зарядов под действием сил поля
р-n-перехода направлено встречно диффузионному току основных
носителей и называется дрейфовым или тепловым током, зависящим в сильной степени от температуры.
–
+
Iобр
U
DCV
–00.1
мА
Eв
En
n
p
Рис. 10.5. Схема включения
диода в обратной полярности
На рис. 10.5 внешнее электрическое
поле Ев направлено согласно с полем p-nперехода Еп. При отсутствии внешнего
электрического поля дрейфовый ток уравновешивается диффузионным, и суммарный ток через p-n-переход равен нулю.
Соединив положительный зажим источника питания с металлическим электро-
ДЕСЯТЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
291
дом полупроводника n-типа, а отрицательный зажим с электродом
полупроводника р-типа, получим внешнее электрическое поле Ев,
направленное согласно с полем p-n-перехода Еп, усиливающее его
(рис. 10.5).
Такое поле еще больше будет препятствовать прохождению основных носителей зарядов через запирающий слой и через диод пройдет
малый обратный ток Iобр, обусловленный неосновными носителями
заряда.
99.0
На рис. 10.6 внешнее электрическое
Iпр
мА
U
поле Ев направлено встречно полю p-nEв
En
перехода Еп. Обратный ток диода в значительной мере зависит от температуры, увеn
p
личиваясь с ее повышением.
При изменении полярности источника
Рис. 10.6. Схема включения
питания (рис. 10.6) внешнее электрическое
диода в прямой полярности
поле Ев окажется направленным встречно
полю p-n-перехода Еп и под действием этого поля электроны и дырки
начнут двигаться навстречу друг другу и число основных носителей
заряда в переходном слое возрастет, уменьшая потенциальный барьер
и сопротивление переходного слоя.
Таким образом, в цепи устанавливается прямой ток Iпр, который
будет значительным даже при относительно небольшом напряжении
источника питания U.
На рис. 10.7 показана вольтамIпр(м А)
перная характеристика германие10
вого диода и его условное обозначение. Для большей нагляд8
ности прямая ветвь (правая часть
6
графика) и обратная ветвь (левая
часть графика) характеристики
4
изображены в различных масштабах.
2
Характеристика показывает, что Uобр(В )
Uпр(В )
0
–80
–60
–40
–20
при небольшом прямом напряже1 2
0,5
нии Uпр = 1 В на зажимах диода в
1
его цепи проходит относительно
1,5
Iобр(м А)
большой ток, а при значительных
Рис. 10.7. Вольтамперная
обратных напряжениях U обр ток
характеристика германиевого диода и
Iобр ничтожно мал.
его условное обозначение
+
DCV
–
292
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
Вывод.
Таким образом, полупроводниковый диод обладает односторонней
проводимостью, т. е. является электрическим вентилем.
Электрические вентили бывают германиевые, кремниевые, селеновые и медно-закисные. Германиевые и кремниевые вентили изготовляют двух типов: точечные и плоскостные.
У точечного германиевого
диода (рис. 10.8, а) помещен
кристалл германия с электронвнеш ние вы воды
ной проводимостью, в который
изолятор
острием входит контактный
корпус
пружинящий вывод анода. Под
вы вод анода
контактным острием в резульприпой
тате специальной термической
обработки создается область с
кристалл
дырочной проводимостью.
В плоскостном германиевом
кристаллодерж атель
диоде
(рис. 10.8, б) на пластину
внеш ние вы воды
германия с электронной проРис. 10.8. Конструкция германиевого диода:
водимостью накладывается
а — точечного; б — плоскостного
таблетка из индия. Она в процессе изготовления диода нагревается до 500°С и плавится так, что ее
атомы диффундируют в германий, образуя область с дырочной проводимостью.
На границе двух областей (с электронной и дырочной проводимостью) появляется запирающий р-n-переход. Как в точечном, так и в
плоскостном диоде германий припоем укреплен на кристаллодержателе, к которому приварен вывод катода (нижний).
Вывод анода также припоем укрепляется в области с дырочной проводимостью и выводится наружу в верхней части диода. Металлический
корпус сварен с кристаллодержателем и стеклянным изолятором.
Кремниевые диоды отличаются от германиевых не только материалом полупроводника, но и некоторыми преимуществами, а именно:
более высокой предельной температурой;
существенно меньшим обратным током;
более высоким пробивным напряжением.
Однако сопротивление кремниевого вентиля в прямом направлении значительно больше, чем германиевого.
ДЕСЯТЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
293
Селеновый вентиль состоит из алюминиевого диска, с одной стороны покрытого слоем кристаллического селена, обладающего дырочной проводимостью, который служит одним электродом.
Другим электродом является нанесенный на селен слой сплава кадмия и олова, при диффузии из которого атомов кадмия в селен образуется слой, обладающий электронной проводимостью.
Селеновые вентили имеют значительно меньшие обратные напряжения (до 60 В) и плотности тока (0,1—0,2 А/см2), чем германиевые и
кремниевые. Так что их габариты и масса значительно больше.
Однако характеристики селеновых вентилей более стабильны, что
позволяет соединять их последовательно и параллельно для увеличения обратных напряжений и прямых токов.
Кроме того, селеновые вентили обладают свойством самовосстановления, которое сводится к следующему: если через пробитую шайбу
пропустить большой ток, то селен нагревается и плавится, закрывая
место пробоя и восстанавливая вентильное свойство диода.
Медно-закисный вентиль состоит из медного диска со слоем закиси
меди, к которому прилегает для получения хорошего контакта свинцовый диск с латунным радиатором большого диаметра. Слой закиси
меди образуется при термической обработке меди в атмосфере кислорода. Наружный слой закиси меди, полученный при избытке кислорода, обладает дырочной проводимостью, а слой закиси, полученной
при недостатке кислорода, — электронной проводимостью. Между,
этими двумя слоями закиси меди возникает р-n-переход.
Медно-закисные вентили имеют низкие обратные напряжения
(10 В) и плотности тока (0,1 А/см2) и в преобразовательных устройствах не используются. Их применение ограничено измерительными
приборами в силу стабильности их характеристик.
10.2. Транзисторы
Первое знакомство
Определение.
Транзистором называется полупроводниковый прибор c двумя p-nпереходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических колебаний и представляющий собой пластину кремния
или германия, состоящую из трех областей.
294
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
эм иттерны й
переход
коллекторны й
переход
коллекторны й
переход
эм иттерны й
переход
а
эм иттер
n
В
Iэ
p
С
коллектор
Iк
PK
база
Uэб
Ес
n
Д
+
Iб
Е кб
–
Э
К
Rн
Б
б
эм иттерны й
коллекторны й
В –Принцип
инж екцияработы
(введние)и условное обозначение
Рис. 10.9.
переходтранзистора
переход n-р-n
Са–—
экстракция
(сбор)
принцип работы; б — условное графическое обозначение
Д – диф ф узия ды рок
p
n
p
РК – реком бинация ды рок и электронов
эм иттер В
коллектор
Д
С
Iк
PK
Iэ
база
Uэб
Ес
Rн
U кб
Iб
Е эб
Е кб
–
–
коллекторны й
переход
p
В
p
С
Uэб
Iк
+
Е эб
–
база
Iб
U кб
Е кб
В – инж екция (введние)
С – экстракция (сбор)
Д – диф ф узия ды рок
РК – реком бинация ды рок и электронов
коллектор
PK
Iэ
Ес
n
Д
+
а
эм иттер
–
Rн
+
+
Транзисторы, у которых крайние области обладают дырочной, а
средняя электронной проводимостями — транзисторами р-n-р-типа
(рис. 10.10).
эм иттерны й
переход
Б
В – инж екция (введние)
С – экстракция (сбор)
Д – диф ф узия ды рок
РК – реком бинация ды рок и электронов
+
Е эб
–
U кб
К
+
+
Две крайние области всегда обладаютn одинаковым
типом провоp
n
эм
иттер
коллектор
димости, а средняя — противоположной Впроводимостью.
Д
С
I
Транзисторы, у которых крайниеэ области обладают
электронной
Iк
PK
Э
база
проводимостью, а средняя — дырочной
проводимостью,
называются
Uэб
Ес
Rн
U кб
Е кб
Iб
транзисторами n-р-n-типа (рис. 10.9). –Е эб
–
Э
К
Б
б
Рис. 10.10.
В –Принцип
инж екция работы
(введние)и условное обозначение транзистора p-n-p
Са –—экстракция
(сбор) б — условное графическое обозначение
принцип работы;
Д – диф ф узия ды рок
РК – реком бинация ды рок и электронов
Физические процессы, происходящие в транзисторах двух типов,
аналогичны. Различия между ними заключается в следующем:
полярности включения источников питания противоположны;
если в транзисторе n-p-n-типа электрический ток создается в
основном электронами, то в транзисторе р-n-р-типа — дырками.
Принцип действия транзистора
Смежные области, отделенные друг от друга p-n-переходами, называются эмиттером Э, базой Б и коллектором К.
Э
К
Б
ДЕСЯТЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
295
Эмиттер является областью, испускающей (эмитирующей) носители зарядов электронов в транзисторе n-p-n-типа и дырок в транзисторе р-n-р-типа. Коллектор — область, собирающая носители зарядов. База — средняя область, основание.
В условиях работы транзистора к левому p-n-переходу прикладывается напряжение эмиттер-база Ua в прямом направлении, а к
правому р-n-переходу — напряжение база-коллектор UK — в обратном.
Под действием электрического поля большая часть носителей
зарядов из левой области (эмиттера), преодолевая p-n-переход,
переходит в очень узкую среднюю область (базу). Далее большая
часть носителей зарядов продолжает двигаться ко второму переходу
и, приближаясь к нему, попадает в электрическое поле, созданное
внешним источником UK.
Под влиянием этого поля носители зарядов втягиваются в правую
область (коллектор), увеличивая ток в цепи батареи UK.
Если увеличить напряжение Uэ, то возрастет количество носителей
зарядов, перешедших из эмиттера в базу, т. е. увеличится ток эмиттера
на некоторую величину ∆Iэ. При этом также увеличится ток коллектора на величину ∆IK.
В базе незначительная часть носителей зарядов, перешедших из
эмиттера, рекомбинирует со свободными носителями зарядов противоположной полярности, убыль которых пополняется новыми носите
зарядов из внешней цепи, образующими ток базы Iб.
Таким образом, ток коллектора Iк = Iэ – I6 окажется меньше тока,
эмиттера, незначительно отличаясь от последнего. Отношение α =
∆IK/∆Iэ при UK = const называется коэффициентом усиления по току
и обычно имеет значение
α = 0,9—0,995.
Если цепь эмиттер-база разомкнута и ток в ней равен нулю Iэ = 0,
а между коллектором и базой приложено напряжение UK, то в цепи
коллектора будет проходить небольшой обратный (тепловой) ток Iко,
обусловленный неосновными носителями зарядов.
Этот ток в существенно зависит от температуры, и является одним
из параметров транзистора (меньшее его значение соответствует лучшим качествам транзистора).
Так как левый (эмитерный) р-n-переход находится под прямым
напряжением, то он обладает малым сопротивлением. На правый же
296
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
(коллекторный) р-n-переход воздействует обратное напряжение и он
имеет большое сопротивление.
Примечание.
Поэтому напряжение, прикладываемое к эмиттеру, весьма мало
(десятые доли вольта), а напряжение, подаваемое на коллектор, может быть достаточно большим (до нескольких десятков
вольт).
Изменение тока в цепи эмиттера, вызванное малым напряжением
Uэ, создает примерно такое же изменение тока в цепи коллектора, где
действует значительно большее напряжение Uк. В результате этого
транзистор осуществляет усиление мощности.
При работе транзистора в качестве усилителя электрических колебаний входное переменное напряжение Uвх (сигнал, подлежащий усилению) подают последовательно с источником постоянного напряжения смещения Uсм между эмиттером и базой, а выходное напряжение
Uвых (усиленный сигнал) снимается с нагрузочного резистора Rн.
Схемы включения транзисторов
Возможны три схемы включения транзисторов n-р-n-типа и р-n-ртипа (рис. 10.11 и рис. 10.12): с общей базой ОБ, с общим эмиттером
ОЭ и с общим коллектором ОК.
Примечание.
Название схемы показывает, какой электрод транзистора является общимдля входной и выходной цепей. Схемы включения транзисторов отличаются своими свойствами, но принцип усиления
колебаний остается одинаковым.
В схеме с общей базой ОБ положительное приращение напряжения на входе ∆UВх вызывает увеличение тока эмиттера Iэ, что приводит к увеличению как тока коллектора Iк, так и напряжения выхода
∆Uвых, причем ∆Uвых >> ∆Uвх.
В схеме с ОБ источник входного напряжения включен в цепь эмиттербаза, а нагрузка и источник питания — в цепь коллектор-база.
Входное сопротивление схемы с ОБ мало (несколько омов или
десятков омов), так как эмиттерный переход включен в прямом
ДЕСЯТЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
Uсм
Uвы х
Rн
Uк
+
Iб
Iэ
Iк
Iб
Iэ
Uвы х
Rн
Uк
~Uвх
Uсм
+ –
+ –
–
а
–
~Uвх
Iк
+
Iэ
297
Iб
Iк Uвы х
Rн
Uк
+ –
~Uвх
Uсм
+ –
б
в
Рис. 10.11. Схемы включения транзисторов структуры n-p-n
а — с общей базой; б — с общим эмиттером; в — с общим коллектором
Uсм
+ –
а
~Uвх
Iэ Uвы х
Rн
Uк
+ –
б
Iэ
Iб
Iк
Uвы х
Rн
Uк
~Uвх
Uсм
+ –
Uсм
+ –
Iб Uвы х
Rн
Uк
+ –
Iк
Iб
–
~Uвх
Iк
+
Iэ
в
Рис. 10.12. Схемы включения транзисторов структуры p-n-p
а — с общей базой; б — с общим эмиттером; в — с общим коллектором
направлении. Выходное сопротивление схемы, наоборот, велико
(сотни килоомов), так как коллекторный переход включен в обратном
направлении.
Малое входное сопротивление схемы с ОБ является существенным
ее недостатком, ограничивающим применение ее в усилителях. Через
источник входного сигнала в этой схеме проходит весь ток эмиттера,
и усиления по току не происходит (коэффициент усиления по току
α 0
Iб
эмиттером и коллектором, т. е. Iб = f (Uэб)
при Uэк = const.
Uэк=0
Выходной цепью для этой схемы являU’’эк>U’эк
ется цепь коллектора и выходной характеристикой — зависимость тока коллектора
от напряжения эмиттер-коллектор при
Uэб
неизменном токе базы, т. е. Iк = f (Uэк) при
Рис. 10.13. Входные
Iб = const.
статические характеристики
транзистора типа p-n-р,
На рис. 10.13 и рис. 10.14 показан привключенного по схеме с общим
мерный вид входных и выходных характеэмиттером
ристик транзистора типа p-n-р.
Iк
Iб’’>Iб’’
При малых значениях напряжения
между эмиттером и базой (Uэб) ток базы
Iб’’>Iб’
растет медленно из-за большого сопроIб’>0
тивления p-n-перехода, которое с увеличением тока уменьшается.
Iб=0
Uэк
С увеличением коллекторного напряжеIко
ния Uэк входные характеристики смещаРис. 10.14. Выходные
ются вправо, т. е. с увеличением Uэк необстатические
ходимо повысить напряжение Uэб, для того
характеристики
транзистора типа p-n-р,
чтобы ток базы остался неизменным.
включенного по схеме с
Выходные характеристики показывают,
общим эмиттером
что в рабочей области напряжение Uэк незначительно влияет на коллекторный ток Iк, так как в основном он зависит
от количества дырок, инжектируемых в базу, т. е. от тока эмиттера.
Плоскостной германиевый транзистор
Устройство плоскостного германиевого транзистора р-n-р-типа
показано на рис. 10.15. Базой является пластина из кристаллического
германия с электронной проводимостью. С двух сторон в пластину
вплавлены индиевые электроды, служащие эмиттером и коллектором.
При плавлении индия между каждым из этих электродов и германиевой пластиной — базой образуются области с дырочной проводимостью и создаются эмиттерный и коллекторный р-n-переходы.
Коллектор крепится на кристаллодержателе, от которого наружу
проходит вывод коллектора. Выводы от эмиттера и базы изолированы
от корпуса стеклянными проходными изоляторами.
Транзистор помещается в металлический корпус.
300
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
вы вод базы
эм иттер
база
вы вод эм иттера
эм иттерны й переход
вы вод
коллектора
коллектор
кристаллодерж атель
коллекторны й переход
Рис. 10.15. Устройства плоскостного германиевого транзистора типа р-n-р
Сравнение транзисторов и электронных ламп
Транзисторы, по сравнению с электронными лампами, имеют следующие преимущества:
большую механическую прочность и долговечность;
постоянную готовность к работе;
малые габариты и массу;
низкое напряжение питания и высокий КПД.
Кроме того, у транзисторов отсутствует цепь накала и, следовательно, упрощена схема и нет потребления мощности для разогрева
катода.
К недостаткам транзисторов относится:
зависимость режима работы его от температуры окружающей
среды;
небольшая выходная мощность;
чувствительность к перегрузкам;
разброс параметров, вследствие которого отдельные транзисторы одного типа значительно отличаются друг от друга по своим
параметрам;
большое различие между входными и выходными сопротивлениями.
ДЕСЯТЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
301
10.3. Тиристоры
Первое знакомство
Определение.
Четырехслойный кремниевый вентиль с двумя электродами (анодом и катодом) называется динистором. Если кроме анода и
катода имеется третий (управляющий) электрод, то вентиль
становится управляемым и называется тиристором.
Тиристор, а также динистор имеют четыре
слоя — р-n-р-n (рис. 10.16), между которыми
находятся три p-n-перехода П1, П2, П3.
У тиристора от средней области р имеется
вывод — управляющий электрод У.
При отключенном управляющем электроде тиристор превращается в динистор.
+
A
p
n
i1
U
–
p
i2
+
–
Rн
n K
i3
У
Рис. 10.16. Принцип
действия тиристора
Принцип действия тиристора
Iу=0
Iу1>0
Iу2>Iу1
Если между анодом и катодом вентиля приложено небольшое
постоянное напряжение в прямом направлении, то переходы П1 и П3
будут открытыми, а их сопротивление мало. Переход П2 будет включен в обратном (непроводящем) направлении и его сопротивление
велико, так что все приложенное к тиристору напряжение будет практически на переходе П2, а ток в цепи мал.
При повышении напряжения U на тиристоре ток в цепи увеличивается незначительно, так как ограничивается большим сопротивлением перехода П 2.
I
в
Вольтамперная характеристика тиристора подобна
А
обратной ветви характеуэ
К
б
ристики диода (кривая Оа
а
Iус
на рис. 10.17).
Iуд
U
Е с л и н а п р я ж е н и е Uобр
0
Uп1
Uп
Uп2
до с тигне т некоторого
определенного значения,
Iобр
называемого напряжением
Рис. 10.17. Вольтамперная характеристика
переключения U пер, то в
тиристора и его условное обозначение
302
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
переходе П2 напряженность электрического поля становится достаточной для ионизации и образования новых свободных носителей
зарядов (электронов и дырок), его сопротивление резко уменьшается,
и тиристор открывается.
Напряжение на открытом тиристоре (участок бв вольтамперной
характеристики) мало (порядка 1—2 В) и почти неизменно, так что
ток в цепи ограничивается сопротивлением внешней нагрузки.
Наибольший ток тиристора лимитируется предельно допустимой
мощностью, рассеиваемой им. Если уменьшать ток через открытый
тиристор, то он будет оставаться открытым до тех пор, пока ток в
тиристоре достаточен для поддержания процесса образования носителей зарядов в переходе П2.
При токе, меньше определенного значения, называемого током
удержания Iуд, тиристор закрывается, т. е. возвращается в непроводящее состояние.
Если на управляющий электрод подать положительный потенциал
от постороннего источника, то в переходе П3 возникнет ток управления и появятся дополнительные носители зарядов. Вследствие этого
уменьшится напряжение переключения этого перехода, и тиристор
открывается при меньшем напряжении Uп1.
Примечание.
Чем больше ток управления Iу , тем больше дополнительных зарядов в переходе П3 и меньше напряжение переключения тиристора.
При определенном значении тока управления, называемом током
спрямления Iус тиристор будет работать как неуправляемый вентиль,
т. е. будет открыт при любом положительном напряжении на его
аноде.
Таким образом, тиристор открывается как при подаче на его анод
напряжения переключения, так и при включении тока управления
достаточной величины Iус.
Так как управляющий электрод после открытия тиристора перестает оказывать влияние на его работу, то в цепи управляющего
электрода проходит кратковременный импульс тока прямоугольной
формы и длительностью примерно 10 мкс.
При подаче на зажимы тиристора обратного напряжения U обр он
будет закрыт обратно включенными переходами П1 и П3 независимо
от управляющего тока и его вольтамперная характеристика практиче-
ДЕСЯТЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
303
ски не отличается от обратной ветви вольтамперной характеристики
неуправляемого вентиля (рис. 10.18).
Тиристоры имеют два устойчивых состояния:
при закрытом тиристоре его сопротивление очень велико
(R≈∞);
при открытом тиристоре его сопротивление мало (R≈ 0).
Поэтому тиристоры находят применение как бесконтактные переключатели в инверторах, регулируемых выпрямителях, в схемах
защиты и т. д.
Устройство тиристора
Конструкция мощного тиристора
показана на рис. 10.18. Четырехслойная
кристаллическая структура, укрепленная на кристаллодержателе, помещена
в металлическом корпусе, в нижней
части которого находится резьбовой
вывод катода. К верхнему р-слою припоем крепится плетеный вывод анода.
В среднюю р-область вводится вывод
управляющего электрода. Выводы
анода и управляющего электрода укрепляют в корпусе изолятором.
вы вод
управляю щ его
электрода
вы вод анода
изолятор
припой
кристаллическая структура
кристаллодерж атель
корпус
вы вод катода
Рис. 10.18. Конструкция мощного
тиристора
10.4. Ионизация газа и электрический заряд.
Фотоэлементы
Ионизация газа и электрический заряд
В отличие от электронных (вакуумных) ламп в ионных или газоразрядных приборах ток создается не только направленным перемещением свободных электронов, но и вследствие перемещения заряженных частиц газа или паров ртути — ионов.
304
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
В обычных условиях газ содержит ничтожное количество свободных электронов и ионов (носителей зарядов) и абсолютное большинство атомов и молекул газа электрически нейтральны (не заряжены).
Поэтому в обычных условиях газ является хорошим диэлектриком.
Проводимость газа может быть вызвана его ионизацией сильным
электрическим полем, высокой температурой, радиоактивными и космическими лучами. Газ становится проводником, если он содержит
большое количество носителей заряда — свободных электронов и
ионов.
Определение.
Процесс образования носителей зарядов называется ионизацией
газа.
Ионные приборы наполнены разреженным газом или парами
ртути. При своем движении электроны сталкиваются с атомами газа
или ртутного пара. При соударении электроны отдают часть своей
энергии атомам газа. При достаточно большой скорости электрона
энергия, полученная атомом, оказывается достаточной для его возбуждения или ионизации.
В возбужденном атоме один из его электронов под действием
полученной при соударении энергии переходит на более высокий
энергетический уровень (на более удаленную от ядра орбиту). Из-за
неустойчивости этого положения очень быстро возвращается на свой
прежний уровень, выделяя избыток энергии в виде светового излучения, так что газ будет светиться.
Если энергия, полученная атомами в результате соударения, достаточна для их расщепления на электроны и ионы, то происходит ионизация газа. Скорость движения электронов и их кинетическая энергия
зависят от напряжения, т. е. возбуждение и ионизация атомов газа
происходит при определенных значениях потенциала возбуждения Uв
и потенциала ионизации Uи, причем Uи > Uв. Так, например, для паров
ртути Uв = 5 В, Uи = 10 В.
Определение.
Процесс образования носителей зарядов в результате столкновения свободных электронов с атомами газа называется ионизацией
соударением, или ударной ионизацией.
ДЕСЯТЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
305
В результате соударения свободные электроны могут выбить электроны из нейтральных молекул (атомов) или присоединиться к ним.
В первом случае образуются ионы, положительно заряженные, во втором — отрицательно заряженные.
Под действием электрического поля, созданного напряжением,
приложенным к электродам прибора, носители зарядов перемещаются
в направлении электрического поля (от положительного электрода
к отрицательному — положительные ионы, и в противоположном
направлении — электроны и отрицательно заряженные ионы).
С увеличением приложенного напряжения возрастают скорости
движения носителей зарядов.
При непрерывной ионизации газа с постоянной интенсивностью
помимо расщепления атомов газа на электроны и ионы происходит
обратный процесс их частичного соединения (рекомбинация), т. е.
превращения в нейтральные атомы, и число носителей зарядов в единице объема остается постоянным.
Если напряжение между электродами ионного прибора (анодом и
катодом) увеличить до определенной величины, называемой напряжением зажигания Uз, то скорость электронов и их кинетическая
энергия становятся достаточными, чтобы при столкновении с нейтральными атомами ионизировать их.
Тлеющий разряд
Вновь полученные вторичные заряды также ионизируют нейтральные атомы газа, т. е. процесс ионизации развивается лавинообразно.
Промежуток между электродами заполняется ионизированным
газом — газовой плазмой, обладающей высокой проводимостью.
При этом число свободных электронов, а также ток через прибор резко
возрастают, и начинается тлеющий разряд, переходящий в самостоятельный, не требующий внешнего ионизатора для его поддержания.
Тлеющий разряд сопровождается свечением газа и характерным
шипящим звуком. Поддерживается тлеющий разряд при определенном напряжении между электродами, которое немного меньше напряжения зажигания (на несколько вольт). При таком напряжении положительные ионы, имеющие относительно большую массу, ударяются
о поверхность катода, нагревают его и выбивают из него вторичные
электроны, которые, двигаясь к аноду, ионизируют атомы газа, поддерживая ток в приборе.
306
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
Если напряжение между анодом и катодом окажется меньше необходимого, то скорость движения положительных ионов уменьшается,
так что они не могут выбить из катода электроны, вследствие чего
процесс ионизации может прекратиться.
Тлеющий разряд используется в неоновых и цифровых лампах,
тиратронах, стабилитронах и других приборах.
Дуговой разряд
Если в приборе с тлеющим разрядом увеличить ток сверх определенного, наибольшего допустимого значения, то возникнет дуговой
разряд, который опасен для прибора тлеющего разряда, так как вызывает разрушение катода вследствие бомбардировки его тяжелыми
положительными ионами с большой силой.
При дуговом разряде плотность тока значительно больше, чем при
тлеющем разряде. Таким образом, дуговой разряд может возникнуть
при тлеющем разряде, если напряжение на разрядном промежутке
повысить до некоторого значения, называемого напряжением зажигания дуги. При этом дуга поддерживается вследствие термоэлектронной эмиссии катода, раскаленного ударами положительных ионов, и
разряд называется самостоятельным.
Если термоэлектронная эмиссия катода создается нагревом катода
от постороннего источника питания, то дуговой разряд будет несамостоятельным.
Электрическая дуга возникает как в разряженном газе, так и при
нормальном давлении. Если сблизить два электрода до их соприкосновения, то место их соприкосновения сильно нагревается проходящим током, обеспечивая ионизацию междуэлектродного промежутка
и возникновение дуги при раздвинутых электродах.
Электрическая дуга имеет очень высокую температуру и яркость,
которые увеличиваются с повышением напряжения. Впервые электрическая дуга, открытая русским ученым В. В. Петровым в 1802 г.,
используется в электросварке, электрических печах, мощных прожекторах в качестве ламп и др.
Сходство с дуговым разрядом имеет искровой разряд, при котором происходит кратковременный (импульсный) пробой промежутка
между двумя электродами.
Кроме перечисленных выше видов электрического разряда в практике можно часто наблюдать коронный разряд, который возникает
ДЕСЯТЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
307
на поверхности проводов малого сечения или на заостренных концах
проводов, т. е. там, где образуются значительные напряженности электрического поля.
При некотором критическом значении напряженности поля возникает тихий разряд, вызванный ионизацией газа и сопровождаемый
слабым свечением, заметным в темноте. Такой разряд называется
короной.
Газотрон
Газотрон представляет собой двухэлектродный ионный или газоразрядный прибор, предназначенный для выпрямления переменного
тока. Стеклянный (или металлический) баллон газотрона после создания в нем вакуума заполняется парами ртути или
инертным газом при низком давлении. Внутри
вы вод анода
анод
баллона помещены два электрода (рис. 10.19).
колба
катод
Анод газотрона выполняют из никеля или
графита и вывод анода располагают в верхней
анод
части колбы, катод вольфрамовый, покрыт слоем
оксида.
В мощных газотронах катод помещается внукатод
три цилиндрического экрана для уменьшения
Рис. 10.19. Газотрон
тепловых потерь. Для разогрева катода он включается на низкое напряжение накала, величина которого составляет
2,5 В при ртутном наполнении и 5 В при заполнении баллона инертным газом.
Внимание.
Более высокое напряжение накала недопустимо, так как может возникнуть дуга между концами катода.
Ионизация газа или паров ртути может произойти при напряжении, значительно меньшем потенциала зажигания под действием
последовательного ступенчатого возбуждения атомов. Таким образом, ток накала оказывается большим (амперы и десятки ампер), значительно больше анодного тока, время разогрева катода составляет от
нескольких минут до двух-трех десятков минут.
С повышением анодного напряжения от нуля в газотроне возникает небольшой электронный ток, как и в вакуумном диоде, так как
308
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
электроны в слабом электрическом поле
перемещаются от катода к аноду с малой
Uр
скоростью, недостаточной для ионизации
газа. Этому режиму работы соответствует
начальный участок вольтамперной характеристики (рис. 10.20).
При повышении анодного напряжения до значения, равного потенциалу
зажигания Uз, электроны под действием
0
Imax I
электрического поля развивают скорости,
Рис. 10.20. Вольтамперная
достаточные для возбуждения ионизации
характеристика газотрона
атомов газа или паров ртути, т. е. в приборе начнется процесс ионизации газа, вследствие чего образуется
плазма и возникает дуговой разряд.
Напряжение анода газотрона при его зажигании несколько уменьшается до рабочего напряжения Up, после чего остается почти неизменным при изменении тока в газотроне.
Падение напряжения на открытом газотроне состоит из падения
вблизи анода, в плазме и вблизи катода, которое всегда значительно
больше первых двух и составляет 10—20 В.
U
Uз
Внимание.
Увеличение анодного тока больше максимального значения недопустимо, так как при этом увеличивается падение напряжения
вблизи катода и тяжелые положительные ионы с большой силой
ударяют в катод, в результате чего разрушается активный слой и
газотрон выходит из строя.
Недостатком газотронов является большая чувствительность к изменению напряжения накала, которое допускается в пределах от +10 до –5%
от номинального. Повышение напряжения накала выше номинального
ведет к распылению катода и уменьшает срок работы газотрона.
При напряжении накала меньше номинального снижается температура катода и уменьшается скорость электронов, вылетевших из
катода, в результате чего увеличивается катодное падение напряжения и уменьшается допустимый максимальный ток, т. е. разрушение
катода начинается при меньшем анодном токе. Разрушение катода
также будет происходить, если включить нагрузку при недостаточно
нагретом катоде.
ДЕСЯТЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
309
Поэтому перед включением нагрузки катод должен быть прогрет в
течение времени, указанного в паспортных данных газотрона.
Новые газотроны перед их включением подвергаются прогреву
с малым анодным током (жестчению) для удаления налетов и пятен,
которые могут оказаться на электродах при производстве газотронов.
При наполнении парами ртути газотроны имеют больший срок
службы, чем при наполнении инертным газом. Но при ртутном наполнении газотроны более чувствительны к изменению температуры
окружающей среды.
Фотоэлементы с внешним фотоэффектом
Определение.
Фотоэлементом называется электровакуумный, полупроводниковый или ионный прибор, в котором воздействие лучистой энергии оптического диапазона вызывает изменение его электрических
свойств.
+
Внешний фотоэффект или фотоэлектронная эмиссия заключается
в том, что источник излучения сообщает части электронов дополнительную энергию, достаточную для выхода их вещества в окружающую среду (в вакуум или разреженный газ).
В вакуумных или электронных
фотоэлементах движение происходит
анод
колба
в вакууме, в газонаполненных или
ф отокатод
ионных фотоэлементах электроны световой
поток
перемещаются в разреженном газе и
ионизируют атомы газа.
пластм ассовы й
Фотоэлемент с внешним фотоэфцоколь
фектом (рис. 10.21) имеет стеклянную колбу, в которой создан вакуум (в
вакуумном фотоэлементе) или после
откачки воздуха колба заполнена разреженным газом (аргоном при низком контактны й
контактны й
ш ты рь
ш ты рь
давлении — в ионных фотоэлементах).
–
Внутренняя поверхность колбы,
за исключением небольшого «окна»
Рис. 10.21. Фотоэлемент
с внешним фотоэффектом
для прохождения светового потока,
310
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
покрыта фотокатодом, который представляет собой слой серебра (подложка), на который нанесен полупроводниковый слой окиси цезия.
Анод фотоэлемента изготовляют в виде кольца, чтобы он не преграждал путь световому потоку к катоду. Колба помещается в пластмассовом цоколе, в нижней части которого находятся контактные
штырьки с выводами от анода и катода.
Под действием приложенного напряжения U источника питания
между анодом и катодом фотоэлемента создается электрическое поле,
и электроны, вылетающие с освещенной поверхности катода, направляются к положительно заряженному аноду.
Таким образом, в цепи установится фототок Iф, зависимость которого от светового потока Ф при неизменном напряжении источника
питания называется световой характеристикой. В ионном фотоэлементе электроны ионизируют атомы газа и увеличивают поток электронов, т. е. увеличивают ток фотоэлемента, повышая его чувствительность.
Фотоэлектронная эмиссия и фототок фотоэлемента зависят от
длины волны светового излучения, поэтому помимо световой чувствительности фотоэлементы характеризуются спектральной чувствительностью.
Анодные вольтамперные характеристики фотоэлементов показывают зависимость фототока от приложенного к зажимам фотоэлемента напряжения при неизменном световом потоке, освещающем
фотокатод, т. е. Iф = f (U) при Ф = const.
У электронного фотоэIф , м кА
Iф , м кА
лемента фототок сначала
Ф 2>Ф 1
Ф 2>Ф 1
15
быстро растет при увеличеФ1
нии напряжения, а затем рост
10
его замедляется и, наконец,
Ф1
5
почти совсем прекращается,
U, B
U, B
т. е. наступает режим насы0
100
200
100
200
щения (рис. 10.22, а).
а
б
Для ионных фотоэлеменРис. 10.22. Анодные вольтамперные
характеристики фотоэлементов:
тов анодная вольтамперная
электронного (а); ионного (б)
характеристика после горизонтального участка (электронный ток) поднимается вверх при ионизации газа (рис. 10.22, б).
В процессе работы фотоэлементов их параметры со временем изменяются, т. е. проявляется свойство их «утомляемости».
ДЕСЯТЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
311
Обычно фотоэлементы используют совместно с ламповыми или
транзисторными усилителями вследствие малого значения фототока,
который может быть получен от фотоэлемента.
Наряду с фотоэлементами существуют фотоэлектронные приборы
с усилением фототока, называемые фотоэлектронными умножителями. Эти приборы с внешним фотоэффектом, в которых фототок
усиливается под действием вторичной электронной эмиссии.
Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом
и с запирающим слоем
Внутренний фотоэффект заключается в том, что источник излучения световой энергии вызывает увеличение энергии у части электронов вещества, ионизацию атомов и образование новых носителей
зарядов (электронов и дырок), вследствие чего уменьшается электрическое сопротивление освещаемого материала.
Если при внешнем фотоэффекте электроны покидают пределы
освещаемого вещества, то при внутреннем фотоэффекте они остаются внутри вещества, увеличивая количество носителей электрических зарядов.
Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом называются фоторезисторами (фотосопротивлениями). Они представляют собой полупроводниковые приборы, электрическое сопротивление которых резко
изменяется под действием падающего на них светового излучения.
В качестве полупроводников применяют сернистый свинец (фоторезистор ФСА), селенид кадмия (фоторезистор ФСД), сернистый кадмий (фоторезистор ФСК).
Фоторезисторы ФСА применяются в инфракрасной, а остальные — в видимой области света. Чувствительность фоторезисторов
значительно выше чувствительности фотоэлементов с внешним фотоэффектом, так что в ряде устройств фоторезисторы заменяют ранее
используемые фотоэлементы с внешним фотоэффектом.
Фоторезистор представляет собой (рис. 10.23, а) стеклянную пластинку, на которую нанесен тонкий слой полупроводника, покрытый
прозрачным лаком для защиты от механических повреждений и влаги.
По краям выведены два металлических электрода. Фоторезистор
помещен в пластмассовый корпус с двумя штырьками, к которым
присоединяются электроды. Условное обозначение и схема включения
фоторезистора показаны на рис. 10.23, б.
312
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
I
Iс
ФР
Iф
–
U
б
а
Iт
Rн
U
+
электроды
слой полупроводника
пластинка
б
Рис. 10.23. Фоторезистор:
а — схема устройства; б — схема включения и условное обозначение ФР;
в — вольтамперная характеристика
Фоторезистор работает только от внешнего источника питания и
имеет одинаковое сопротивление в обоих направлениях.
Неосвещенный фоторезистор обладает большим «темновым»
сопротивлением Rт (от сотен килоом до нескольких мегаом) и через
него проходит малый «темновой» ток Iт.
При освещенном фоторезисторе его сопротивление резко уменьшается, и ток увеличивается до некоторого значения Iс, зависящего от
интенсивности освещения. Разность между токами при освещении и
«темновым» называется фототоком, т. е.
Iф = Iс – Iт.
Вольтамперная характеристика фоторезистора (рис. 10.23, в), т. е.
зависимость фототока от напряжения источника питания при неизменном световом потоке Iф = f (U) при Ф = const линейна.
Видно, что прямая затененной зоны идет более полого, чем освещенного. Это говорит о меньшей чувствительности неосвещенного
элемента.
К недостаткам фоторезисторов относится:
инерционность (при освещении фототок не сразу достигает своего конечного значения, а лишь через некоторое время):
нелинейность световой характеристики (фототок возрастает
медленнее, чем сила света);
зависимость электрического сопротивления и фототока от температуры окружающей среды.
Фотоэлементы с фотоэффектом в запирающем слое, называющиеся вентильными фотоэлементами, имеют запирающий слой между
полупроводниками с р- и n-проводимостями. В этих фотоэлементах
под воздействием светового излучения возникает ЭДС, называемая
фото-ЭДС.
Для изготовления вентильных фотоэлементов применяют селен,
сернистый таллий, сернистое серебро, германий и кремний.
ДЕСЯТЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
313
Освещение поверхности фотоэлемента вблизи р-n-перехода вызывает ионизацию атомов кристалла и образование новых пар свободных носителей зарядов — электронов и дырок.
Под действием электрического поля р-n-перехода образующиеся в
результате ионизации атомов кристалла электроны переходят в слой
n, а дырки — в слой р, что приводит к избытку электронов в слое n и
дырок в слое р.
Под действием разности потенциалов (фото-ЭДС) между слоями
р и n во внешней цепи проходит ток I, направленный от электрода р
к электроду n. Этот ток зависит от количества носителей зарядов —
электронов и дырок, т. е. от силы света.
Чувствительность вентильных фотоэлементов высока (до 10 мА/лм),
они не требуют источника питания и находят широкое применение
в различных областях электроС вет
ники, автоматики, измерительной технике и т. д.
слой полупроводника
Принцип устройства кремнипластина крем ния
евого фотоэлемента с запирающим слоем показан на рис. 10.24.
R
На пластину кремния с при–
+
месью, создающей электронную
Схема устройства кремниевого
проводимость, вводят примесь Рис. 10.24.
вентильного фотоэлемента
бора путем диффузии в вакууме.
В результате этого образуется слой полупроводника с дырочной проводимостью очень малой толщины, так что световые лучи свободно
проникают в зону перехода.
Батареи кремниевых элементов находят применение для непосредственного преобразования солнечной энергии в электрическую. Такие
преобразователи, называемые солнечными батареями, применяют,
например, на искусственных спутниках Земли для питания их аппаратуры.
Полупроводниковый фотоэлемент с двумя электродами, разделенными р-n-переходом, называемый фотодиодом, может работать как
с внешним источником питания (преобразовательный режим), так и
без внешнего источника (генераторный режим).
При работе в генераторном режиме фотодиода его освещение
вызывает возникновение фото-ЭДС, под действием которой во внешней цепи через нагрузку проходит ток, т. е. источником питания является фотодиод.
314
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
При работе в фотопреобразовательном режиме напряжение внешнего источника питания приложено встречно фото-ЭДС и фотодиод
подобен фоторезистору с более высокой чувствительностью.
Если фотодиод не освещен, то через него проходит небольшой
обратный ток (темновой ток) под действием внешнего источника
питания. При освещении электронной области фотодиода образуются носители зарядов — электроны и дырки. Дырки доходят до р-nперехода и под действием электрического поля переходят в р-область,
т. е. освещение вызывает увеличение числа перешедших неосновных
носителей из n-области в р-область, и, следовательно, ток в цепи возрастает (возникает фототок).
10.4. Вопросы для тестирования
Вопрос №1.
В каких схемах нецелесообразно использовать транзисторы?
a) В схемах генерации высокочастотных колебаний; б) в схемах усиления мощности сигналов; в) в схемах выпрямления переменных токов;
г) во всех целесообразно.
Вопрос №2.
При каких значениях светового потока фоторезистор обладает максимальной чувствительностью?
a) При малых; б) при больших; в) при средних; г) чувствительность
не зависит от светового потока.
Вопрос №3.
Какой пробой опасен для электронно-дырочного перехода (р-nперехода)?
a) Тепловой; б) электрический; в) тот и другой; г) никакой не опасен.
Вопрос №4.
Управляемые выпрямители выполняются на базе:
a) ... диодов; б) ... стабилитронов; в) ... биполярных транзисторов;
г) ... тиристоров.
ДЕСЯТЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
315
Вопрос №5.
Как называют средний слой у биполярных транзисторов?
a) Эмиттер; б) коллектор; в) база; г) точка смещения.
Вопрос №6.
Укажите полярность напряжения:
а) на эмиттере транзистора типа р-n-р;
б) на коллекторе транзистора типа n-р-n.
a) а, б — плюс; б) а, б — минус; в) а — плюс, б — минус; г) а — минус,
б — плюс.
Вопрос №7.
Каким способом нельзя перевести тиристор из открытого состояния в закрытое?
a) Уменьшением до нуля напряжения на основных электродах;
б) изменением полярности напряжения на основных электродах;
в) изменением полярности напряжения на управляющем электроде;
г) всеми можно.
Вопрос №8.
Для выпрямления переменного напряжения применяют...
a) ... однополупериодный выпрямитель; б) ... двухполупериодный
выпрямитель с выводом средней точки; в) ... мостовой двухполупериодный выпрямитель; г) ... все перечисленные выпрямители.
Вопрос №9.
Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения однополупериодного выпрямителя составляет:
a) р = 1,57; б) р = 0,67; в) р = 0,25; г) р = 0,057.
Вопрос №10.
Из каких элементов можно составить сглаживающие фильтры?
a) Из резисторов; б) из диодов; в) из конденсаторов, индуктивных
катушек, транзисторов, резисторов; г) из потенциометров.
ОДИННАД Ц АТ Ы Й Ш А Г
Наконец, мы добрались
до рассмотрения УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОНИКИ
В ходе финишного шага вы познакомитесь с практическими схемами типовых устройств электроники: выпрямителями, сглаживающими фильтрами, стабилизаторами, усилителями низкой частоты, генераторами гармонических колебаний, реле. А в завершении главы сможете
ответить на вопросы для самотестирования. Теперь вы
ПОДГОТОВЛЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИК! Поздравляю!
11.1. Выпрямители
Первое знакомство
Определение.
Выпрямителем называется статический преобразователь переменного тока в постоянный, который используется в ряде отраслей промышленности (транспорт, электрохимия, питание электронной аппаратуры и т. д.).
Для преобразования переменного тока в постоянный служат электрические вентили различных типов: электронные (кенотроны), полупроводниковые (германиевые, кремниевые и др.), ионные (газотроны,
тиратроны и др.).
Каждый вентиль характеризуется следующими параметрами:
амплитудой тока:
средним значением тока;
амплитудой обратного напряжения;
внутренним сопротивлением.
Амплитуда тока вентиля ограничивается насыщением (кенотроны
с вольфрамовым катодом) или началом разрушения катода (кенотроны с оксидированным катодом, газотроны, тиратроны).
ОДИННАДЦАТЫЙ ШАГ. Наконец, мы добрались до рассмотрения УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОНИКИ 317
Среднее значение тока определяет тепловой режим вентиля, так
что повышение среднего значения тока поведет к перегреву вентиля.
Амплитуда обратного напряжения — это, то наибольшее напряжение, которое может быть приложено к вентилю в обратном (непроводящем) направлении, не подвергая его опасности пробоя.
Внутреннее сопротивление определяет потери энергии и падение
напряжения в вентиле.
Примечание.
Так как вольтамперная характеристика вентилей нелинейна, то
внутреннее сопротивление не постоянно и чем меньше оно, тем
экономичнее выпрямитель, так как меньше потери энергии в нем.
Для выпрямления больших токов селеновые вентили соединяют
параллельно, а для получения высоких напряжений — последовательно.
Параллельно можно соединять вентили одной группы, вольтамперные
характеристики которых совпадают, а последовательно — вентили
одного класса с совпадающими обратными характеристиками.
Схемы соединения вентилей
Вольтамперные характеристики германиевых
1
Rш
и кремниевых вентилей имеют большой разброс
1
2
и сильно меняются с изменением температуры.
Rв
Rш
2
Поэтому для выравнивания токов в венти- Rв
лях при их параллельном соединении вводят
добавочные (выравнивающие) сопротивления
а
б
RB (рис. 11.1, а), а для выравнивания обратных
Рис. 11.1. Схемы
напряжений при последовательном соединении соединения вентилей:
параллельного;
вентилей их шунтируют сопротивлениями Rш б —а —
последовательного
(рис. 11.1, б).
В выпрямителях вентили соединяют по определенным схемам,
которые создают на выходе выпрямителя напряжение с различным
числом циклов выпрямления m.
Однополупериодная схема выпрямления (m = 1) на практике почти
не применяется из-за ряда существенных ее недостатков.
Двухполупериодная (m = 2) схема выпрямления с двуханодным
кенотроном изображена на рис. 11.2, а и с полупроводниковыми диодами — на рис. 11.2, б.
318
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
В часть периода, когда
ЭДС вторичной обмотки
I
I
0
I
направлена снизу вверх,
Rн
+
б
К
I
точка а и анод вентиля А1
б
I
Rн
–
(или Д 1) имеют положиД2
тельный потенциал, так что
а
б
под действием ЭДС фазы
Рис. 11.2. Двухполупериодная схема выпрямления:
а вторичной обмотки, ток
а — кенотронного; б — полупроводникового
проходит по цепи: от точки
а через А1-К (или диод Д1-В), сопротивление нагрузки RH к средней
точке О вторичной обмотки трансформатора.
При изменении направления ЭДС вторичной обмотки положительный потенциал имеет точка b и ток протекает от точки b через А2-К
(или диод Д2-В), сопротивление нагрузки Rн к средней точке О вторичной обмотки.
Таким образом, в нагрузке ток проходит в неизменном направлении.
Вторичная обмотка трансформатора двухфазная, и каждая фаза а и b работает половину периода, ЭДС этих фаз uа и ub сдвинуты по фазе на половину периода (рис. 11.3, а). U
Ub
Uн
Ua
U
Напряжение на нагрузке uн
U0
t
t
в любой момент равно мгно- 0
0
T1
венному значению ЭДС фазы,
T
работающей в данный момент.
Кривые изменения напря
а
б
жения uн и тока iн изображены Рис. 11.3. Кривые напряжений в двухполупериодной
схеме выпрямления:
на рис. 11.3, б. Напряжение
а — в фазах вторичной обмотки; б — на нагрузке
помимо постоянной составляющей Uo (среднее значение) содержит переменную составляющую, т. е.
напряжение uн также, как и ток iн, не постоянны, а пульсируют.
Достоинством схемы является малое число вентилей (два вентиля
или один двуханодный кенотрон).
К недостаткам ее следует отнести следущее:
наличие большой переменной составляющей напряжения (пульсация), амплитуда которой Um~ = 0,67U0;
необходимость вывода средней точки вторичной обмотки трансформатора;
большое обратное напряжение, равное Uобр = 2Uм = 3,14U0, где
Uм — амплитуда ЭДС фазы вторичной обмотки (p = 0,67 — коэффициент пульсации).
а
I
0
Д1
А2
А1
а
+
ОДИННАДЦАТЫЙ ШАГ. Наконец, мы добрались до рассмотрения УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОНИКИ 319
Период изменения напряжения на нагрузке Т1 вдвое меньше периода изменения напряжения сети Т. Следовательно, частота первой
гармоники переменной составляющей, т. е. частота пульсации напряжения f1, вдвое больше частоты тока сети (f1 = 2f).
Однофазная мостовая схема выпрямления
Однофазная мостовая схема выпрямления (рис. 11.4) содержит четыре вентиля, к
одной диагонали моста подключается вторичная обмотка трансформатора, а к другой — нагрузка RH.
При направлении ЭДС вторичной
обмотки снизу вверх точка а имеет положительный потенциал и ток проходит по
цепи:
Б
а
I
б
Д2
Д1
I
В I
А
Д4
Г
Rн
Д3
Рис. 11.4. Однофазная
мостовая схема
выпрямления
вторичная обмотка трансформатора, точки а, А, диод Д1,
точка Б, сопротивление нагрузки RH, точка Г, диод ДЗ,
точка В, точка б вторичной обмотки.
При изменении направления ЭДС и тока во вторичной обмотке
трансформатора замкнутая цепь будет:
точки б, В, диод Д2, точка Б, сопротивление нагрузки Rн,
точка Г, диод Д4, точки А и а.
Таким образом, ток в нагрузке не изменяет направления, но изменяется по величине. Кривые изменения напряжения uн и тока нагрузки
iн имеют такой же вид, как и в двухполупериодной схеме. Амплитуда
пульсации напряжения Um~ = 0,67U0 (p = 0,67) при частоте ее f1 = 2f.
В мостовой схеме нет необходимости в выводе средней точки вторичной обмотки трансформатора, она имеет меньшее, чем двухполупериодная схема, обратное напряжение Uобр = Uм = 1,57U0 (вместо
3,14U0), но содержит четыре вентиля (вместо двух).
Трехфазная схема выпрямления
В трехфазной схеме выпрямления (рис. 11.5, а) три вентиля анодами соединены с началами фаз трехфазной вторичной обмотки.
Катоды трех вентилей образуют общую точку, являющуюся плюсо-
320
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
вым полюсом на выходе выпрямителя; минусовый полюс — средняя
точка вторичной обмотки. В любой момент будет открыт тот вентиль,
на аноде которого напряжение наиболее положительно.
Напряжения в фазах втоuн
U
ричной обмотки равны между
U0
a
собой по амплитуде и частоте,
ua ub
uc
b
но сдвинуты по фазе на одну
t
c
0
треть периода Т/3 (рис. 11.5, б).
Iн
На каждом вентиле наиболее
Rн
положительное напряжение
T/3
а
будет также в течение одной
б
трети периода Т/3 и напряжеРис. 11.5. Трехфазная схема выпрямления (а)
ние на нагрузке будет представи кривая выпрямленного напряжения (б)
лять огибающую синусоид ЭДС
в фазах вторичной обмотки.
Период изменения напряжения на нагрузке Т1 = Т/3, т. е. частота
пульсации
f1 = 3f, а ее амплитуда Um~ = 0,25U0 (p = 0,25).
Таким образом, амплитуда пульсации в трехфазной схеме выпрямления значительно меньше, чем в двухполупериодной и мостовой схемах, а частота пульсации больше.
Обратное напряжение на вентиле в трехфазной схеме составляет Uoбр = 2,1U0. Если в выпрямителяхиспользовать управляемые
вентили, то можно будет регулировать выходное напряжение на
нагрузке.
Неуправляемый вентиль открывается, если на аноде его потенциал
выше потенциала катода.
Управляемый же вентиль будет оставаться закрытым при положительном потенциале анода, если на его управляющем электроде нет
отпирающего напряжения.
Кривые регулируемого выпрямленного напряжения
Если в какой-либо схеме выпрямления, например, трехфазной
(рис. 11.5, а), вместо диодов в каждую фазу включить управляемые
вентили (например, тиристоры) и менять моменты их открывания, то
выпрямленное напряжение будет изменяться.
ОДИННАДЦАТЫЙ ШАГ. Наконец, мы добрались до рассмотрения УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОНИКИ 321
Определение.
Часть периода, в течение
которой вентиль остается
закрытым, несмотря на то,
что анод его имеет положительный потенциал, называется углом регулирования α.
uн
U
а
U0
wt
0
uн
U
б
‘
U0
При отсутствии регулирования α = 0 каждый вентиль открыa
a
wt
вается в момент, когда потенциал
uн
U
анода его положителен, и кривая
выпрямленного напряжения будет
в
такой же, как и для неуправляеU0
мого выпрямителя (рис. 11.6, а).
Если управляющий импульс для
a
a
wt
открытия вентиля автоматическим
Рис. 11.6. Кривые регулируемого
устройством подать с отставанием
выпрямленного напряжения при
на угол α' > 0, то вентиль в течение
различных углах регулирования:
а — при отсутствии регулирования α = 0;
части периода α' будет закрыт и
б — при подаче управляющего импульса с
выпрямленное напряжение будет
отставанием на угол α’ > 0;
в — при увеличении угла регулирования α»> α’
равно ЭДС ранее работавшей
фазы. В момент ωt = α' открывается
очередной вентиль и выпрямленное напряжение становится равным
ЭДС фазы, вновь вступающей в работу (рис. 11.6, б). Среднее значение
выпрямленного напряжения уменьшится за 1/3 периода на величину,
соответствующую заштрихованной площадке (U0' < U0).
При увеличении угла регулирования α»> α' (рис. 11.6, в) происходит дальнейшее уменьшение выпрямленного напряжения (U0''< U'0)
и, увеличивая угол регулирования далее, можно изменять выпрямленное напряжение до нуля.
Такой способ регулирования напряжения экономичен, так как он
не связан с дополнительной затратой энергии, но при регулировании
сильно возрастает пульсация выходного напряжения.
‘
‘
‘‘
‘‘
‘‘
322
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
11.2. Сглаживающие фильтры. Стабилизаторы
Сглаживающие фильтры
Выпрямленное напряжение при любой схеме выпрямления помимо
постоянной составляющей U0 (среднее значение) содержит переменную составляющую (пульсацию), амплитуда Um~ и частота f1 которой
зависят от схемы выпрямления.
Для однополупериодной схемы выпрямления Um~ = 1,57U0 и f1 = f,
где f — частота тока сети.
Для всех остальных схем выпрямления
Um~ = (2/(m2 – 1))×U0 и f1 = mf,
где m — число фаз выпрямления (m = 2 для двухполупериодной и
мостовой схем, m = 3 для трехфазной схемы и т. д.).
Пульсация напряжения оказывает вредное влияние — увеличивает потери, создает помехи и др. Поэтому выпрямленное напряжение
обычно непригодно для питания потребителя и необходимо уменьшить его пульсацию, для чего устанавливают сглаживающий фильтр
между выпрямителем и приемником энергии.
Степень ослабления пульсации сглаживающим фильтром определяется коэффициентом сглаживания, равным отношению амплитуд переменных составляющих напряжений на входе и выходе фильтра, т. е.
q = Um~вх/Um~выx
Фильтры могут быть трех типов:
емкостные;
индуктивные;
индуктивно-емкостные.
В емкостном фильтре (рис. 11.7, а) конденсатор С включен параллельно нагрузке и напряжение на конденсаторе равно напряжению на
нагрузке.
Когда напряжение вторичной обмотки трансформатора больше
напряжения на нагрузке (u2 > uн), вентиль Д открыт и через него проходит ток iB, заряжающий конденсатор iс и питающий нагрузку iH, т. е.
iB = ic + iн. Кривая выпрямленного напряжения и тока в вентиле при
емкостном фильтре представлена на рис. 11.8.
При заряде конденсатора uн повышается (рис. 11.7, а). При u2 < uн
вентиль закрывается и начинается разряд конденсатора на нагрузку.
Напряжение при этом понижается.
ОДИННАДЦАТЫЙ ШАГ. Наконец, мы добрались до рассмотрения УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОНИКИ 323
Д
Uвх
L
Rф
Ib
Ic
С Rн
Iн
Uвх
а
С
Uвы х
С
Uвы х
Uвх
д
Uвы х
г
L1
С
С
Uвх
в
L
Uвх
Rн
Uвх
б
L
Ln
С1
Сn
Uвы х
е
Рис. 11.7. Схемы сглаживающих фильтров:
а — емкостного; б — резисторно-емкостного; в — индуктивного; г — индуктивно-емкостного;
д — П-образного; е — многозвенного индуктивно-емкостного
u2
uн
Для двухполупериодной схемы длитель- U, i
ность работы фазы становится меньше
iв
половины периода и зависит как от емкоt
сти конденсатора, так и от сопротивления
0
нагрузки. При включении конденсатора Рис. 11.8. Кривая выпрямленного
пульсация выпрямленного напряжения напряжения и тока в вентиле при
емкостном фильтре
уменьшается и становится тем меньше,
чем больше емкость конденсатора.
В выпрямителях малой мощности находят применение резисторноемкостные RС-фильтры (рис. 11.7, б), коэффициент сглаживания
которых q = mωRC, где m — число фаз выпрямления, ω = 2πf — угловая частота тока сети.
В индуктивных фильтрах (рис. 11.7, в) сглаживание пульсации
напряжения будет лишь при индуктивном сопротивлении дросселя,
много большем сопротивления нагрузки, т. е. mωL >> RH.
Индуктивно-емкостные Г-образные фильтры (рис. 11.7, г) применяются наиболее часто. Непременным условием для этих фильтров
является неравенство mωL >> 1/mωC, т. е. индуктивное сопротивление дросселя должно быть много больше емкостного сопротивления
конденсатора для переменной составляющей тока.
Коэффициент сглаживания LC-фильтров
q = (mω)2LC – 1.
П-образный индуктивно-емкостный фильтр (рис. 11.7, д) можно
рассматривать как двухзвенный, первое звено которого является
емкостным, а второе — индуктивно-емкостным фильтром.
324
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
При очень жестких требованиях на допустимую пульсацию напряжения могут быть использованы многозвенные сглаживающие
фильтры (рис. 11.7, е), коэффициент сглаживания которых равен,
произведению коэффициентов сглаживания отдельных звеньев, т. е.
q = q1q2...qn.
Стабилизаторы напряжения
Все потребители электрической энергии чувствительны к изменениям напряжения, т. е. требует его постоянства (стабилизации) с
определенной степенью точности. В качестве параметрических стабилизаторов применяют газоразрядные и кремниевые стабилитроны.
Газоразрядный стабилитрон, представляющий собой прибор тлеющего разряда, имеет стеклянный баллон (рис. 11.9, а), заполненный
смесью инертных газов аргон-неон, аргон-гелий или других газов при
низком давлении.
Внутри баллона помещены два электрода — катод и анод.
Вольтамперная характеристика стабилитрона (рис. 11.9, б) имеет
такой же вид, как и любого газоразрядного прибора.
Стабилитрон характеризуется следующими величинами: напряжением стабилизации Uc, напряжением зажигания U3, минимальным
током ионизации Imin, максимальным током Imax, превышение которого
ведет к разрушению катода,
динамическим сопротивлением на рабочем участке в
U
диапазоне от Imin до Imax.
Uз
Кремниевые стабилиUс
троны представляют собой
разновидность кремниевых
катод
диодов с повышенной конанод
центрацией носителей заряI
дов в полупроводниках.
Imin
Imax
0
Схемы включения газоб
разрядного и кремниевого
стабилитронов изображены
а
на (рис. 11.10, а и б).
Для кремниевых стабиРис. 11.9. Устройство газоразрядного
литронов рабочим участстабилитрона с его условным обозначением (а)
ком вольтамперной хараки его вольтамперная характеристика (б)
ОДИННАДЦАТЫЙ ШАГ. Наконец, мы добрались до рассмотрения УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОНИКИ 325
Ic+Iн
Rг
Uвх
Ic+Iн
Ic
Rн
а
Iн
Rг
Uвх
Ic
Rн
Iн Uвх
Rг1
б
Rг2
Rн
в
Рис. 11.10. Схемы включения стабилитронов:
а — газоразрядного; б — кремниевого; в — двухкаскадного
теристики (рис. 11.11) является часть,
соответствующая обратным напряжению и
тока, расположенная почти параллельно оси
токов в диапазоне от Imin до Imах.
На входе стабилизатора действует изменяющееся напряжение входа U вх; между
этим напряжением и стабилитроном включено гасящее сопротивление Rг.
Так как стабилитрон включен параллельно нагрузке, то напряжение на стабилитроне UC, равное напряжению на нагрузке
UH, можно определить следующим выражением:
Iпр
Uпр
Uобр
Imin
Imax
Uс
Iобр
Рис. 11.11. Вольтамперная
характеристика и условное
обозначение кремниевого
стабилитрона
Uс = Uн = Uвх – Uг,
где Uг = Rг (Ic + IH) — падение напряжения в гасящем сопротивлении.
При изменении напряжения на входе UBX, например, при его увеличении, в некоторой степени повысится напряжение на выходе, т. е.
на стабилитроне. Это вызовет возрастание тока как в стабилитроне,
так и в гасящем сопротивлении, и, следовательно, увеличится падение
напряжения на этом сопротивлении.
Таким образом, при повышении напряжения на входе возрастет
падение напряжения на гасящем сопротивлении, компенсируя повышение напряжения на входе стабилизатора и поддерживая постоянство напряжения на нагрузке.
Понижение напряжения на входе вызовет уменьшение падения
напряжения на гасящем сопротивлении, так как ток в этом сопротивлении, как и в стабилитроне, уменьшится.
Как газоразрядные, так и кремниевые стабилитроны соединяют
последовательно для получения различных напряжений на нагрузке.
Параллельное соединение стабилитронов не имеет смысла, так как
вследствие несовпадения их вольтамперных характеристик все парал-
326
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
лельно включенные стабилитроны не будут работать в зоне стабилизации напряжения.
При жестких требованиях к стабильности напряжения стабилизаторы составляются из нескольких ступеней — каскадов (рис. 11.10, в),
у которых коэффициент стабилизации равен произведению коэффициентов стабилизации всех звеньев стабилизатора.
Определение.
Коэффициентом стабилизации стабилизатора называется
отношение относительного изменения напряжения входа к относительному изменению напряжения выхода, т. е.
Кст = (∆Uвх/Uвх)/(∆Uвых/Uвых) = (∆UвхUвых)/(∆Uвых/Uвх).
Стабилизаторы на стабилитронах могут иметь невысокий коэффициент стабилизации (в несколько десятков) и низкий КПД.
Газоразрядные и кремниевые стабилитроны могут быть использованы
для стабилизации переменного напряжения, форма кривой которого
на выходе близка к прямоугольной.
11.3. Усилители низкой частоты
Назначение и классификация
Электронные усилители предназначены для усиления напряжения, тока или мощности слабых электрических сигналов (колебаний).
Усиление колебаний осуществляется электронной лампой или транзистором под воздействием источников энергии, питающих усилитель.
Электронные усилители можно классифицировать по ряду признаков:
по роду усиливаемой величины — усилители напряжения, усилители тока, усилители мощности;
по диапазону частот — усилители низкой частоты, усилители
высокой частоты, усилители постоянного тока;
по числу каскадов (ступеней) усиления — одно-, двух- и многокаскадные.
Мощность выходных колебаний усиливается в основном в связи с
усилением напряжения в усилителях напряжения и усилением тока в
усилителях тока и мощности.
ОДИННАДЦАТЫЙ ШАГ. Наконец, мы добрались до рассмотрения УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОНИКИ 327
Основные параметры усилителей
Основными параметрами усилителей являются:
коэффициент усиления;
диапазон усиливаемых частот;
выходное напряжение или выходная мощность;
КПД.
Коэффициентом усиления усилителя напряжения называется отношение напряжения на выходе к напряжению на входе, т. е.
Ku = Uвых/UBx.
Коэффициентом усиления усилителя мощности называется отношение мощности на выходе к мощности на входе усилителя, т. е.
KP = Pвых/Pвх.
Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления его каскадов.
По способу связи между каскадами усилители могут быть:
с гальванической связью;
с резистивно-емкостной связью;
с трансформаторной связью.
В диапазоне частот усилителя изменения коэффициента усиления
не должны превышать допустимых пределов.
Определение.
КПД усилителя называется отношение выходной мощности усилителя к суммарной мощности питания всех его цепей, т. е. η =
Pвых/Pпит.
Искажения сигнала
Проходя через усилитель, форма электрического сигнала нарушается под воздействием частотных, амплитудных и фазовых искажений. Частотные искажения формы электрического сигнала возникают вследствие различной степени усиления напряжений различных
частот, составляющих усиливаемый сигнал.
Частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных
искажений, показывающим, насколько усиление на данной частоте f
отклоняется от усиления на средней частоте, т. е. M = Kср/Kf. Обычно
328
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
допустимое значение коэффициента частотных искажений принимают М = 1,25.
Амплитудные или нелинейные искажения возникают вследствие
нелинейности характеристик электронных ламп, транзисторов, сопротивления нагрузки и вызывают искажения формы кривых усиливаемых сигналов.
Фазовые искажения, представляющие собой изменения фазы электрического сигнала на выходе усилителя относительно фазы сигнала
на его входе, возникают из-за реактивных элементов (индуктивностей
и емкостей), включаемых в схему усилителя.
Обратная связь
В усилителях широко используют обратную связь, т. е. воздействие
выходной цепи усилителя на ее входную цепь. Для соединения выходной цепи усилителя с его входом служит цепь обратной связи.
Если сигнал с выхода усилителя на его вход приходит совпадающим
по фазе с усиливаемым сигналом, то это увеличит общий коэффициент усиления и обратная связь называется положительной.
Если обратная связь вызывает уменьшение коэффициента усиления, то она называется отрицательной.
Отрицательная обратная связь улучшает стабильность работы и
характеристики усилителя, уменьшает нелинейные искажения, так
как всякая гармоника, искажающая форму сигнала, после усиления
подается через цепь обратной связи на вход усилителя с противоположной фазой, частично компенсируя искажение сигнала.
Смещение в ламповых усилителях
При использовании в качестве усилителя электронной лампы необходимо, чтобы сетка имела отрицательный потенциал относительно
катода, так как при положительном потенциале на сетке возникают
сеточные токи, которые искажают усиливаемый сигнал.
Для создания отрицательного смещения на сетке лампы может быть
использован отдельный источник — батарея смещения, но применение
такого источника увеличивает габариты, массу и стоимость устройства. Поэтому обычно применяют автоматическое смещение сеточного
напряжения, которого достигают падением напряжения на резисторе
Rсм (рис. 11.12, а), включенном в цепь катода усилительной лампы.
ОДИННАДЦАТЫЙ ШАГ. Наконец, мы добрались до рассмотрения УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОНИКИ 329
ia
A
C
1
ia
Ra
K
Rc
Ia–
Rсм
Ia~
Cш
2
+Uc
0
Uсм
–Uc
+
–
Ea
t
Uвх
а
t
б
Рис. 11.12. Схема простейшего лампового усилителя (а) и процесс усиления (б)
Постоянная составляющая анодного тока Iа, проходя по этому
резистору, создает падение напряжения Uсм = IaRсм, и потенциал сетки
автоматически понижается относительно катода на величину Uсм.
Переменная составляющая анодного тока замыкается через шунтирующий конденсатор Сш, включенный параллельно резистору Rсм.
Сопротивление конденсатора Сш для переменной составляющей
должно быть много меньше сопротивления Rсм с тем, чтобы падение
напряжения переменной составляющей анодного тока в резисторе Rсм
не влияло на сеточное напряжение.
Отрицательное смещение подается на сетку через резистор R c,
через который электроны, попавшие на сетку, стекают на катод. Если
отключить резистор Rc, то на сетке будут скапливаться электроны,
заряд которых может запереть лампу.
На зажимы резистора Rc (1 и 2) подается напряжение от источника
входного сигнала uвх, подлежащего усилению. Сопротивление резистора Rc должно быть достаточно большим (0,5—1 МОм) с тем, чтобы
входное сопротивление схемы было стабильным.
Входное напряжение усилителя uвх, приложенное к резистору Rc,
включено в цепь между катодом и сеткой лампы, в результате чего
изменяется отрицательное смещение на сетке.
При положительной полуволне uвх отрицательное смещение на
сетке лампы уменьшается — (Uсм – uвх) и анодный ток лампы iа увеличивается (рис. 11.12, б).
При отрицательной полуволне uвх отрицательное смещение на
сетке возрастает (Uсм + uвх), уменьшая анодный ток лампы. Таким
образом, кривые анодного тока iа и напряжения на анодной нагрузке
uR изменяются в фазе с входным напряжением uвх. При этом анодное
напряжение лампы uа, являющееся напряжением на выходе усилителя
330
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
uа = uвых = Еа – uR, изменяется в противофазе с напряжением uвx. Таким
образом, усилительный каскад с активной нагрузкой изменяет фазу
напряжения на π или на 180°.
В рассмотренной схеме усилительного каскада весьма незначительные колебания входного напряжения uвх вызывают также малые
изменения потенциала сетки лампы и достаточно большие изменения
анодного тока, т. е. на выходе усилителя будут получены электрические колебания значительно большей мощности.
Усиление электрических колебаний будет тем большим, чем больше
крутизна анодно-сеточной характеристики лампы.
Транзисторные усилители
Транзисторные усилители наиболее часто работают по схеме с
общим эмиттером (рис. 11.13), так как эта схема обеспечивает достаточно большое входное сопротивление и коэффициент усиления. Эта
схема транзисторного усилителя эквивалентна
–Uк
схеме усилителя на электронной лампе.
R
Rн
Iк
Изменение потенциала базы под действием
С2
к
С1
входного напряжения uвх вызывает изменение
б
Uвы х
как коллекторного тока iк, так и напряжения
Iб
э
Uвх
эмиттер — коллектор uэк, являющегося выходR’
Iэ
ным.
+Uк
В этой схеме коэффициенты усиления
Рис. 11.13. Схема
составляют:
транзисторного (p-n-p)
по току Кi = β = ∆Uвых/∆Uвх = ∆Iк/∆Iб;
усилителя напряжения по
по напряжению КU = ∆Uвых/∆Uвх;
схеме с общим эмиттером
по мощности КР = ∆Pвых/∆Pвх = КiКU.
Примечание.
Для нормальной работы транзистора между эмиттером и базой
должно быть постоянное напряжение смещения базы (десятые
доли вольта).
На рис. 11.13 для получения напряжения смещения базы применен резистор R, включенный между базой и отрицательным полюсом
источника питания Uк.
Для получения напряжения смещения базы может быть использован делитель напряжения RR', как показано на схеме прерывистой
линией.
ОДИННАДЦАТЫЙ ШАГ. Наконец, мы добрались до рассмотрения УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОНИКИ 331
Как было сказано выше, температура в сильной степени влияет
на параметры и работу полупроводниковых приборов. Так, например, повышение температуры вызывает увеличение токов и изменяет
режим работы транзисторов. Для уменьшения влияния изменения
температуры на режим работы транзисторов применяют температурную стабилизацию.
На схеме усилителя, приведенной на рис. 11.13, может быть использована коллекторная температурная стабилизация, если резистор R,
необходимый для получения смещения напряжения базы подключить к
коллектору транзистора, как показано на схеме прерывистой линией.
В этом случае повышение температуры вызовет увеличение тока
коллектора Iк и возрастет падение напряжения в коллекторной
нагрузке, что уменьшает напряжение эмиттер-коллектор и эмиттербаза и, следовательно, уменьшает ток коллектора Iк до начального значения.
Помимо влияния температуры отрицательным свойством транзисторов является ухудшение их усилительных свойств с повышением
частоты. Неосновные носители проходят через базу не мгновенно, и
инжектированные в базу в один и тот же момент неосновные носители
достигают коллекторного перехода в разное время, вследствие чего
уменьшается амплитуда и искажается форма выходного сигнала.
При этом происходит запаздывание по фазе между коллекторным
и эмиттерным токами. Кроме того, с ростом частоты емкость коллекторного перехода шунтирует его сопротивление, что уменьшает коэффициент передачи.
По этим причинам с повышением частоты уменьшается коэффициент усиления по току α и частота, при которой он достигает величины
0,707 своего начального значения, называется граничной частотой.
Если для получения заданного
коэффициента усиления одного уси–Uк
R
R1 Rк’ С
Rк
С р’
лительного каскада недостаточно,
T1 к
T2 к
применяют многокаскадные усилиСр
б
б
тели. На рис. 11.14 показана схема
э
э
двухкаскадного транзисторного
Uвы х
Cш
Cш ’
усилителя с резистивно-емкостной Uвх Rэ
R2 Rэ’
связью между каскадами.
+Uк
Ра з дел и тельн ый кон де нс аРис. 11.14. Схема двухкаскадного
тор С р предназначен для отделетранзисторного усилителя
ния постоянной составляющей
с резистивно-емкостной связью
332
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
напряжения смещения базы от источника входного напряжения.
Напряжение смещения на базу первого транзистора Т 1 подается
через резистор R.
Температурная стабилизация первого, также как второго каскада,
осуществляется резисторами Rэ и Rэ' (эмиттерная стабилизация). Эти
резисторы создают обратную связь по постоянному току.
Если с повышением температуры увеличатся токи транзисторов, то
возрастет падение напряжения в резисторах Rэ и Rэ', а в связи с этим
понизятся потенциалы эмиттеров транзисторов, что уменьшит напряжение смещения базы и вызовет уменьшение токов.
Коллекторными нагрузками являются резисторы R к и R' к.
Конденсатор C'р является разделительным между первым и вторым
каскадами.
Второй каскад отличается от первого тем, что смещение базы фиксируется делителем напряжения с резисторами R1 и R2.
Конденсатор С задерживает постоянную составляющую тока из
коллекторной цепи в нагрузку на выходе второго каскада.
11.4. Генераторы гармонических колебаний
Для получения переменных токов высокой частоты могут служить
ламповые генераторы, которые преобразуют энергию постоянного
тока в электрическую энергию переменного тока заданной частоты.
По способу возбуждения колебаний генераторы подразделяются
на генераторы с независимым возбуждением и генераторы с самовозбуждением или автогенераторы.
В генераторах с независимым возбуждением переменное напряжение заданной частоты подается от постороннего источника, и генераторы являются усилителями мощности гармонических колебаний.
В генераторах с самовозбуждением
Lp
а
Cp
незатухающие
колебания создаются под
Л
с
Lн Rн
L
воздействием
выходной
цепи генератора
C
к
Uа
на его входную цепь через положительную
обратную связь.
Lс
Uсм
На рис. 11.15 приведена схема лампового
генератора с самовозбуждением, содержаРис. 11.15. Схема лампового
щая колебательный контур LC. Если зарягенератора типа LC
– +
ОДИННАДЦАТЫЙ ШАГ. Наконец, мы добрались до рассмотрения УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОНИКИ 333
дить конденсатор С, а затем замкнуть его на катушку индуктивности
L, то конденсатор будет периодически разряжаться и заряжаться. При
этом в цепи колебательного контура возникнут электрические колебания тока и напряжения с частотой, зависящей от емкости конденсатора С и индуктивности катушки L, т. е.
,
где ω0 — собственная угловая частота контура.
Эти колебания будут затухающими, так как в контуре происходит
потеря энергии.
Для получения незатухающих колебаний переменного тока необходимо периодически с определенной частотой добавлять энергию в колебательный контур с тем, чтобы компенсировать потери энергии в нем.
Триод Л является быстродействующим устройством, позволяющим
добавлять в колебательный контур необходимую энергию.
Переменный ток, возникающий в колебательном контуре и проходящий по виткам катушки L, возбуждает переменное магнитное
поле, которое индуктирует в обмотке Lc переменную ЭДС ес с частотой
тока колебательного контура. Эта ЭДС воздействует на сетку лампы и
управляет током в цепи ее анода.
При положительном значении ЭДС катушки обратной связи она
уменьшит отрицательное смещение на сетке лампы — (UСМ – ес). При
этом анодный ток увеличится. При отрицательном значении ЭДС
ес увеличит отрицательное смещение на сетке лампы — (UCM + ec) и
уменьшит анодный ток.
Таким образом, анодный ток лампы будет пульсирующим, изменяющимся от наибольшего до наименьшего значения с частотой, равной
частоте ЭДС обмотки обратной связи, т. е. частоте тока колебательного контура.
При этом наибольшее значение анодный ток принимает в момент,
когда ЭДС е с имеет максимальное положительное значение, т. е. ес
совпадает по фазе с переменной составляющей анодного тока и, следовательно, обратная связь положительная.
Постоянная составляющая анодного тока не может пройти в колебательный контур, так как этому препятствует разделительный конденсатор Ср, и замкнется через источник питания и разделительную
индуктивность Lp, которая установлена, чтобы переменная составляющая не шунтировалась источником питания.
334
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
При высокой частоте индуктивное сопротивление разделительной
индуктивности ω0Lp велико и оно препятствует прохождению переменной составляющей анодного тока, замыкающейся через колебательный контур.
Для возбуждения незатухающих колебаний переменная составляющая анодного тока лампы должна быть достаточной, чтобы компенсировать потери энергии в контуре.
В противном случае колебания будут затухающими и генератор
работать не сможет.
В результате магнитной связи незатухающие колебания передаются
в выходную обмотку Lн, откуда поступают в нагрузку Rн.
На рассмотренной схеме автогенератора между колебательным контуром и сеткой лампы использована трансформаторная обратная связь.
Автогенераторы могут быть также с индуктивной и с емкостной
обратной связью.
11.5. Реле
В схемах питания, управления и защиты электронных устройств
широко применяются реле — приборы, в которых плавное изменение входных параметров приводит к скачкообразному изменению
выходных величин. Если входным параметром является величина X
(например, ток), а выходным — Y (например, напряжение), то характеристика прибора, обладающего релейным эффектом, имеет вид,
показанный на рис. 11.16.
При изменении входного параметра X от нуля до значения X1
выходной параметр остается неизменным и равным Y1. При X = X1
параметр Y скачкообразно изменяется до значения У2 и остается неизменным при дальнейшем увеличении X.
Уменьшение параметра X также не изменяет величины Y2, но при
Х = Х2 параметр Y скачкообразно уменьшается и принимает первоначальное значение Y1.
Так, например, работа широко распространенного электромагнитного реле основана на электромеханическом действии тока. При увеличении тока до определенной величины сила воздействия на якорь
становится достаточной для преодоления силы противодействующей
пружины, и якорь изменяет свое положение, переключая контакты.
ОДИННАДЦАТЫЙ ШАГ. Наконец, мы добрались до рассмотрения УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОНИКИ 335
С уменьшением тока до величины, при y2y
которой электромагнитная сила становится
меньше силы противодействующей пружины, якорь возвращается в исходное полоy1
жение.
Таким образом, работу реле характериx2
x1
x
зуют две величины входного параметра (в
Рис. 11.16.
рассмотренном случае тока): ток срабатыХарактеристика
вания и ток отпускания, а все промежуточрелейного элемента
ные значения тока не приводят к изменению
состояния реле.
Ток срабатывания реле больше тока отпускания. В рассмотренном
электромагнитном реле после притяжения якоря воздушный зазор
становится минимальным, для удержания якоря требуется малый ток
и для отпускания реле ток в обмотке необходимо уменьшить по сравнению с током срабатывания.
Определение.
Отношение входного параметра при отпускании реле Х2 к величине
этого параметра при срабатывании Х1 называется коэффициентом возврата реле (Кв = Х2 /Х1 ), который всегда меньше единицы.
Реле состоит из воспринимающего органа, предназначенного для
восприятия входного параметра, и исполнительного органа, который
формирует выходные параметры. Для электромагнитного реле такими
элементами являются катушка электромагнита и контакты.
Воздействие на воспринимающий орган приводит к изменению
состояния исполнительного органа через определенное время, называемое временем срабатывания или временем отпускания реле.
Время срабатывания, или отпускания, реле складывается из времени трогания и времени движения.
Временем трогания называется отрезок времени, прошедший от
момента включения или выключения цепи воспринимающего органа
до начала перемещения подвижной части реле. Это время зависит от
постоянной времени реле.
Время движения — промежуток времени от начала перемещения
подвижной части до замыкания или размыкания контактов; это время
зависит от конструктивных свойств реле: массы якоря, его входа, тяговых усилий и т. д.
336
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
Время срабатывания и отпускания реле можно изменить как конструктивными, так и схемными мерами. Для замедления срабатывания и отпускания реле на его сердечнике помещают массивную медную гильзу (кольцо), которую располагают для замедления на притяжение впереди катушки (со стороны якоря), а для замедления на
отпускание — сзади катушки. Индуктируемый в гильзе ток задерживает нарастание или спадание магнитного потока, в результате этого
замедляется перемещение якоря.
Схема включения реле для
з амедления сраб атыв а ния
и отпускания реле показана
R
С
на рис. 11.17, а. При включеС
нии
конденсатор С, шунтируя
R
С
обмотку реле, задерживает
увеличение тока в ней, а при
а
б
в
г
выключении конденсатор, разряжаясь на обмотку, замедляет
Рис. 11.17. Схемы включения реле:
а — для замедления срабатывания и
уменьшение тока.
отпускания; б — для замедления отпускания
Для замедления работы реле
(с конденсатором); в — для замедления
отпускания (с включением диода параллельно
на отпускание служит схема
обмотке реле в непроводящем направлении);
(рис. 11.17, б). Запасенная в
г — для ускорения срабатывания
конденсаторе энергия задерживает уменьшение тока в обмотке реле. Также замедление на отпускание обеспечит схема с включением диода параллельно обмотке реле в
непроводящем направлении (рис. 11.17, в).
При отключении реле в его обмотке будет поддерживаться ток под
воздействием ЭДС самоиндукции. Для ускорения срабатывания реле
может быть использована схема, изображенная на (рис. 11.17, г).
В момент включения ток проходит через конденсатор, представляющий для него малое сопротивление, и реле быстрее срабатывает.
Реле подразделяются на контактные и бесконтактные. Контакты
реле — наиболее ненадежные их части. Бесконтактные реле имеют ряд
существенных преимуществ по сравнению с контактными:
большая точность;
повышенная чувствительность;
увеличенное быстродействие;
высокие надежность и долговечность.
К бесконтактным реле относятся электронные переключающие
устройства, называемые спусковыми или триггерами. Контактные
ОДИННАДЦАТЫЙ ШАГ. Наконец, мы добрались до рассмотрения УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОНИКИ 337
К объекту
реле преобразуют входную величину
управления
в механическое действие, результатом которого является замыкание
Rc
+
или размыкание выходной цепи. К
КЦ
Еа
Uс
–
контактной группе реле относятся
–
+
электромеханические реле с элекРис. 11.18. Схема электронного реле
тронными усилителями.
Электронное реле (рис. 11.18) представляет собой электронный
усилитель на триоде, в анодную цепь которого включено электромагнитное реле Р.
При подаче на сетку небольшого положительного напряжения от
контролируемой цепи КЦ, подключенного к ней, анодный ток вследствие усилительных свойств лампы значительно увеличивается.
Электромагнитное реле срабатывает, переключает свои контакты
и включает, отключает или переключает устройства, которыми оно
управляет.
Управление электромагнитным реле может осуществляться транзисторами, тиратронами, фотоэлементами и др.
Фотореле является автоматическим устройством, реагирующим на
изменение светового потока. Простейшее фотореле обычно последовательно соединяют с фотореК объекту
зистором (рис. 11.19, а), котоФ
управления
Л
рые включают в сеть с напряP
жением U.
Rc
+
При неосвещенном фотоФР
U
Uсм
–
резисторе сопротивление его
–
+
–
U
+
велико (примерно 1 МОм) и
а
б
ток в цепи мал. Освещение
Рис.
11.19.
Схемы
фотореле:
ф отор е зис тора вызыв ае т
а — с фоторезистором;
уменьшение его сопротивлеб — с ламповым усилителем
ния и увеличение тока в цепи.
При некотором значении тока в цепи срабатывает электромагнитное реле Р, замыкая или размыкая контакты в управляемой цепи.
В случаях, когда чувствительность фотореле с фоторезисторами
оказывается недостаточной, применяют фотореле с электронными
усилителями (рис. 11.19, б).
При затемненном фотоэлементе его фототок равен нулю, и на сетку
усилительной лампы подается отрицательное смещение Uсм, запирающее лампу.
338
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
При освещении фотоэлемента появляется фототок, который создает на резисторе Rc падение напряжения, которое уменьшает отрицательное смещение на сетке усилительной лампы, отпирая ее.
В результате анодный ток лампы и ток в обмотке реле Р повышаются. По мере увеличения освещенности фотоэлемента возрастает ток
в анодной цепи и при достижении некоторого значения происходит
срабатывание реле Р.
11.6. Вопросы для тестирования
Вопрос №1.
В усилительном каскаде задают напряжения и токи смещения, с
целью обеспечения:
a) ... выходного сопротивления; б) ... входного сопротивления;
в) ... положения рабочей точки; г) ... защиты транзистора.
Вопрос №2.
Для обеспечения положения рабочей точки при отсутствии входного сигнала, в усилительном каскаде на биполярном транзисторе
задают следующие напряжения и токи смещения...
a) ... токи в цепях базы и эмиттера; б) ... напряжения в цепях
базы и эмиттера; в) ... токи и напряжения в цепях базы и эмиттера;
г) ... при отсутствии входного сигнала ничего не задается.
Вопрос №3.
Для связи между каскадами в многокаскадном усилителе чаще
всего используют...
a) ... соединение каскадов через конденсаторы; б) ... непосредственное соединение каскадов; в) ... соединение каскадов через резисторы;
г) ... соединение каскадов через предохранители.
Вопрос №4.
Какие величины усиливает усилитель, собранный на транзисторах
по схеме с общим коллектором?
a) Напряжение; б) напряжение и мощность; в) ток; г) ток и мощность.
ОДИННАДЦАТЫЙ ШАГ. Наконец, мы добрались до рассмотрения УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОНИКИ 339
Вопрос №5.
Какие величины усиливает усилитель, собранный на транзисторах
по схеме с общим эмиттером?
a) Напряжение, ток и мощность; б) мощность; в) напряжение и
ток; г) напряжение.
Вопрос №6.
Какой основной режим работы биполярного транзистора в усилительных устройствах?
a) Режим насыщения; б) инверсный активный режим; в) режим
отсечки; г) активный режим.
Вопрос №7.
При какой схеме включения биполярного транзистора, усилитель
называют эмиттерным повторителем?
a) С общим коллектором; б) с общей базой; в) с общим эмиттером;
г) и с общим коллектором, и с общей базой.
Вопрос №8.
Какого назначение конденсаторов С1
и С2 в схеме, приведенной на рис. 11.20?
a) Гальваническая развязка по переменному току; б) положение рабочей
точки при воздействии входного сигнала; в) улучшают частотные свойства
каскада; г) гальваническая развязка по
постоянному току.
C1
R1
Rвх
Uвх
R2
Rк
Eк
C2
VT
Rн
Rэр
Cэр
Cэр
Рис. 11.20. Схема
для вопросов №8 и №9
Вопрос №9.
Назначение резисторов R1 и R2 в схеме, приведенной на рис. 11.21?
а) Термостабилизация каскада; б) положение рабочей точки
каскада; в) входное сопротивление каскада; г) выходное сопротивление каскада.
Вопрос №10.
Как называется промежуток времени от начала перемещения подвижной части до замыкания или размыкания контактов реле?
a) Время трогания; б) время движения; в) время срабатывания;
г) время отпускания.
Послесловие
Куй железо пока горячо
«Куй железо пока горячо», «Не откладывай на завтра то, что можно
сделать сегодня» — это народные мудрости, а значит, нет никаких
причин сомневаться в истине этих слов. Веками люди ощущали на
«собственной шкуре» справедливость этих выражений, независимо
от того, чем они занимались: доедали мамонта в пещере или «рубили
капусту» на «барахолке», сеяли рожь в степях Украины или собирали
голоса на выборах и т. д.
Кроме применения этих пословиц к тем или иным событиям, оказывается значительное влияние на целые периоды в жизни человека.
Отложил учебу, «положил» на работу — а жизнь-то идет.
В результате, не исключены последствия — «заглянул в рюмку»,
«наступил на пробку» или просто упустил время, которого не хватит
потом, когда «рак свистнет» или «петух клюнет».
Вспоминая слова Павки Корчагина о том, что «нужно прожить так,
чтобы не было мучительно больно за бесцельно прожитые годы», возникает вопрос:
«А как их прожить, чтобы не пожалеть?». У героя Островского
вариантов было не много. Но сейчас «узкоколейки» давно построены,
и возможностей проявить себя у человека более чем предостаточно.
Одна из них — ваша.
Такая возможность, у каждого, появляется по-разному. Приведу
свой пример той «искорки», возникшей еще в детстве.
Дружил с мальчиком — были соседями, жили в одном доме. Папа,
у Андрея, работал по радиотехнической специальности и постоянно
приносил какие-то запчасти, радиодетали — развивал интерес своего
ребенка к радиотехнике, и довольно успешно. Андрей стал осваивать
азы этой науки. Происходящее рядом, не могло не заинтересовать и меня,
хотя больших успехов в то время я не достиг, — учителя то не было.
Помню, лазили возле мусорных куч и собирали выброшенные
радиоприемники, проигрыватели и все то, на чем просматривались
блестящие конденсаторы и цветные резисторы. Кое-чему я научился у
Андрея, знал, как выглядят и как называются разноцветные штучки.
Послесловие
341
Когда друг общался с отцом по причинам неисправностей собранных им схем, я находился в недоумении, так как ничего не мог понять,
о чем они говорят и на каком языке.
Интерес проявлялся еще с большей силой. Но в виду того, что
самому изучить хотя бы простенькую часть науки об электричестве
мне было не по силам (пытался читать журналы и учебники), я бросил это занятие и, — надолго. Дальше был пробел, о котором сейчас с
сожалением вспоминаю.
Шло время, наступил момент выбора будущей профессии.
Интереса, как такового, ни к чему не было.
При рассмотрении вариантов, взгляд «упал» на электромеханическое отделение училища. Было решено, но закончился «набор» и пришлось пойти учеником электро-радиомонтажника на завод, до следующего учебного года.
Работая в коллективе, я понял, что овладеть знаниями электротехники и электроники можно только тогда, когда информация берется
не только из книги, а из примеров и рассуждений людей, знающих
свое дело и имеющих опыт работы в этих областях.
Особенно хорошо усваивались такие вещи, которые увидел в практическом применении, а потом сопоставил и сравнил с их описаниями
в учебных пособиях.
Вот таким образом постепенно вливался в процесс изучения и,
делая успехи, шаг за шагом, начинал обретать уверенность в себе, ставил цели, которые в скором времени были достигнуты.
Так вот, если взять и выбрать полезную информацию из практики и
связать с теорией, то получится как раз то, что так не хватало, при знакомстве с наукой на мусорных кучах, а также при попытках прочитать
непонятные журналы и учебники. Допустим, что информация собрана.
Для заинтересованных людей — это короткий путь к успеху.
А как привлечь внимание тех, кто еще не знает, о том, что он
родился с «мультиметром» в руках или с законом Ома в голове?
Больно смотреть на слонявшихся по улицам молодых людей, упускающих свое время и, пока еще не ведающих, что их ждет впереди.
Больно, потому что, многие из них просто не могут определиться
со своим местом под солнцем, плывут по течению и будут плыть до
момента «просветления», когда уже придется о многом пожалеть.
Вокруг нас столько всего познавательного, того, что дано только
человеку. Любая область, созданная природой или людьми, имеет свои
особенности и полезности, нужные и интересные для нас.
342
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
Самое, наверно, трудное — сделать первый шаг, а потом, вникая
в смысл той или иной небольшой части узнанного, желание — знать
больше, не прекращается. В этом и заключается вся прелесть познавательного процесса. И поэтому, для тех, кто не может «найти» свое
место, могу предложить «беспролетный» вариант. Попробуйте себя в
окружении интересных электрических законов, здесь вам — и всегда
востребованная специальность, и творчество, и уважение окружающих вас людей.
Если вы решились, то значит для вас «рак уже свистнул» и не откладывайте«на потом», «чтобы не было больно за бесцельно прожитые годы».
В среде электротехнического персонала
В среде электротехнического персонала, как и в других профессиях
всегда имеет место невидимое распределение специалистов по «статусу...» — общему показателю теоретических знаний, опыту и общению с людьми. Это такой невидимый и независимый от занимаемой
должности и образования, показатель.
Уважение, авторитет, репутация — как хотите, только в более скрытой форме. Причем, не имеет значение, какое учебное заведение за плечами — средняя школа или МГУ. (Вы не видели самоучек-гениев?)
Это можно представить себе в виде лестницы, на ступеньках которой расположены представители профессии. На ступени они располагаются по «статусу...».
Для перехода на новую ступень важно качественно пройти предыдущий уровень. Несоблюдение этого условия чревато «казусными»
ситуациями.
К примеру, руководитель одного из подразделений крупного предприятия, занял свое место (прыгнул через «ступеньку»), благодаря,
протеже высокопоставленного родственника, не имея для этого соответствующего опыта работы и самое главное — знаний, необходимых
для этого профиля.
В результате, проработал он недолго — не прошел ближайшей аттестации, проводимой независимой экспертизой.
Послесловие
343
«Роковой» вопрос — электромагнитный пускатель
Еще пример.
Обыкновенный парень, таких миллион, после окончания средней
школы устроился учеником электрика на предприятии для того, чтобы
«перекантоваться» годик, перед тем, как отдать долг Отечеству.
Вроде бы понравилось.
Хотя каждый рабочий день был занят одной мыслью: — «Скорее 5
часов — там девчонки, пивко, танцульки и т. д.». Вот она — слабость.
В рабочее время — удели внимание делу, которое нравится.
Пролетел год. Армия. После службы — устройство на работу, связанную с электричеством. Собеседование...
Место работы оказалось довольно престижным, высокооплачиваемым и перспективным (полный соц. пакет, направление на оплачиваемую учебу и т. д.).
На собеседовании прозвучал всего один — единственный, простой
вопрос, решающий судьбу молодого человека.
И он не смог...
Он не смог изобразить на листке бумаги схему электромагнитного
пускателя электродвигателя. Схему, которую любой электрик должен
знать, в первую очередь, днем и ночью.
Ему это было непростительно. Самая первая и важная «ступенька»
будущей работы, да и в самой жизни — сорвалась. Не попал даже в
последние ряды первой «ступени», не говоря уже о «статусе...».
Так происходит со многими.
Электротехника — область творчества
Только образование, накопленный опыт работы, заработанное уважение позволяют постепенно продвигаться по «лестнице успеха».
Особое внимание хочется обратить на людей, стоящих в последних
рядах каждой ступени. Часто эти люди, незаметные в своем профессиональном отношении к работе.
Ведь электротехника — это область творчества и здесь обязательны
некие нестандартные проявления или «форсы» на фоне «рутины»
рабочей обстановки.
Они будут «пожизненно» последними на своей ступени, если не
будут развивать в себе творческую жилку, пополнять запас теоретических знаний и стремиться овладеть, насколько это, возможно, своей
великолепной профессией.
344
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
Электромагнитный пускатель на «лестнице успеха»
В истории обыкновенного паренька необходимо обратить внимание на очень важный момент собеседования, это вопрос о работе электромагнитного пускателя. Нарисовать схему и объяснить работу —
это очень простой и эффективный способ показать свои знания и
навыки.
В самом деле! Здесь проверяется способность чтения схем и логика
мышления. Также, знание элементов и их свойств. Здесь можно продемонстрировать почти все законы электротехники. Вся электротехника
на одном листе!
Человек, с легкостью объясняющий работу схемы и назначение
элементов, совсем не кажется «чайником» в этой области.
Поэтому, те, кто пока еще, находится на нижних ступенях и не
имеет «статуса...», применяйте в пополнении своего опыта и знаний
такие методы, как объяснение работы и назначение элементов отдельных устройств силовой электротехники, автоматики, бытовой электротехники.
Это, само по себе, интересное занятие, никак не может быть в
тягость человеку, который не стоит на месте и любит свою работу.
Для того чтобы попытаться начать по-новому относиться к своей
электротехнической профессии и, если вы еще не знаете, как это сделать, то почитайте демонстрацию работы схемы электромагнитного
пускателя.
Может, это натолкнет вас на мысль о том, как, использовать и другие подобные примеры, содержащие электротехническую информацию, которая послужит вам в повышении своего «статуса...» на невидимой «лестнице успеха».
Рассмотрим общий принцип работы магнитного пускателя, который служит для управления включения-выключения разных потребителей. Схема пускателя может состоять от нескольких до большого
количества элементов в зависимости от сложности схем управления.
Начнем с минимального количества, самая простая схема магнитного
пускателя (рис. 1).
В данной схеме минимальное количество
элементов: это предохранители для защиты
цепи управления; системы кнопок и контакта,
которые являются по сути своей кроме своих
основных функций системой «нулевой защиты»
Рис. 1. Простая схема
от повторного включения, при исчезновении магнитного пускателя
Послесловие
345
напряжения при работе. Рассмотрим работу этой схемы. Ток проходит
по предохранителю через замкнутую кнопку «Стоп», через нажатую
кнопку «Пуск», через обмотку катушки контактора по цепи через второй предохранитель и в сеть. Итак, при нажатии на кнопку «Пуск» цепь
замыкается, катушка контактора втягивается и замыкает свои главные
контакты. Допустим, если нагрузка у нас электродвигатель, то в цепи
электродвигателя стоят контакты нашего контактора и во время срабатывания катушки она втягивается и замыкает эти контакты (рис. 2).
При этом цепь питания электродвигателя замкнута на трехфазную
сеть и электродвигатель начинает работать. Также при срабатывании
катушки контактора — замыкается блок-контакт этого контактора
для шунтирования кнопки «Пуск». Т. е. когда мы кнопку отпустим,
у нас цепь остается замкнутой и контактор остается во включенном
положении, при этом двигатель продолжает работать (рис. 3). Если в
сети пропадает напряжение (рис. 4), то катушка контактора обесточивается, возвращается на свое исходное место, у нее размыкаются
главные контакты, размыкается блок-контакт и, т. к. напряжения нет,
схема находится в бездействии. При появлении напряжения в сети
повторного включения электродвигателя не произойдет, т. к. контакт
блокировочный у нас замкнут и для повторного запуска необходимо
опять нажать кнопку
«Пуск».
Итак, мы рассмотрели
самый обязательный
момент в работе магнитного пускателя: эта
система, состоящая из Рис. 2. Включение в цепь питания электродвигателя
кнопок основного запуска
и помимо этого являющейся системой «нулевой
защиты». Схемы управления могут получать
Рис. 3. Шунтирование кнопки «Пуск»
питание как от двухфазного переменного тока, от
которого работает наша
нагрузка (рис. 5), также и
от однофазного: если мы
берем один конец из фазы,
а другой на 0 (рис. 6).
Рис. 4. Схема — в бездействии
346
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
Рис. 5. Питание от двухфазного
переменного тока
Рис. 6. Питание от однофазного
переменного тока
В первом случае напряжение питания в катушке контактора будет
равно линейному напряжению; во втором случае катушка контактора
должна быть на напряжении, равному фазному. Т. е. если сеть у нас
380 В, то в первом случае катушка должна быть на напряжении 380 В,
во втором — на напряжении 220 В.
Помимо основных кнопок и контактов обычно в цепи управления
магнитного пускателя присутствуют дополнительные элементы управления и защиты. На нашей схеме силовой цепи мы видим обмотки
теплового реле, которые имеют свои контакты. Эти контакты служат
для защиты электродвигателя от перегрузки и имеют свои контакты,
которые устанавливаются в цепи управления включения этого электродвигателя, т. е. в эту цепь в катушке контактора (рис. 7).
Первый контакт — это замкнутый контакт теплового реле Т1;
второй — Т2. Обычно они являются нормально замкнутыми или,
можно сказать, замкну тыми по
умолчанию. При перегрузке электродвигателя ток в обмотке Т1
(если ток повысился в этой обмотке
электродвигателя), или возрос
ток Т1Т2(если перегрузка на этой
обмотке), или повысился ток в другой обмотке электродвигателя, то
повысится ток в тепловом реле Т2,
то при этом в любом случае перегрузки электродвигателя хотя бы
Рис. 7. Замкнутые контакты
одно реле разомкнет свой контакт.
теплового реле
Послесловие
347
При этом разомкнется цепь управления, катушка контактора вернется в
исходное положение, разомкнет свои
главные контакты, и электродвигатель остановится.
Также, кроме элементов защиты в
цепи управления могут присутствовать элементы управления по назначению работы нагрузки.
Рассмотрим еще три элемента, которые могут находиться в цепи управления (рис. 8). Первый элемент — уроРис. 8. Элементы, которые могут
вень, т. е. в цепь управления может
находиться в цепи управления
устанавливаться датчики уровней;
второй — может устанавливаться датчик температуры, в зависимости
от которой будет работать схема; третий — может устанавливаться
конечный выключатель (путевой), т. е. микровыключатель, который
работает от механического воздействия.
Например, если мы имеем насос для закачки в какую-либо емкость,
то наверху емкости стоит датчик верхнего уровня аварийный для того,
чтобы не перекачать выше определенного уровня. Так вот, для закачки
воды нажимаем на кнопку «Пуск», ток проходит по катушке через все
замкнутые контакты схемы, включает катушку, катушка в свое время
включает контакты электродвигателя насоса и свой блокировочный контакт. Нанос начинает качать воду. Кнопку «Пуск» мы отпускаем, электродвигатель продолжает работать. При достижении верхнего уровня (допустим, стоит поплавок с микровыключателем) вода доходит до поплавка,
поплавок поднимается, тем самым размыкает контакт на микровыключателе (рис. 9). Цепь катушки прерывается, отключаются главные контакты
и блок-контакт, и двигатель останавливается.
Для контроля температуры всей этой нашей силовой системы,
состоящей, допустим, из вентилятора и нагревательных элементов,
т.е какой-то воздушный теплонагреватель (калорифер), у нас будет
необходим контакт или автоматической работы, или для защиты от
перегрева нагревательных элементов при ручном управлении. Т. е.
все равно у нас должен присутствовать температурный контакт цепи
управления. Запускаем наш калорифер (рис. 10), ток пошел по катушке
контактора, контактор включает свои главные контакты, замыкает
блок-контакт, отпускаем кнопку «Пуск».
348
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
Рис. 9. Контакт
на микровыключателе разомкнут
Рис. 10. Калорифер
При замыкании главных контактов у нас заработал электродвигатель вентилятора, и включились элементы нагрева. При этом начала
повышаться температура. Датчик температуры у нас пока в замкнутом состоянии, допустим, настроен на температуру 70°С. Как только
температура достигла таких пределов, т. е. если у нас ручное управление, и мы забыли выключить, то датчик температуры разрывает цепь,
контактор размыкает свои главные контакты и блок-контакт, и наш
потребитель от сети отключается.
Это самый простой пример пускателя, более сложные состоят из
большего количества элементов, контакторов, промежуточных реле.
Думаю, ничего сложного по схеме работы магнитных пускателей
такого типа ручного режима нет и в процессе усложнения таких схем
управления их можно будет понимать самостоятельно.
P. S.
Если вы не разбираетесь в работе некоторых элементов, слабоваты
в чтении схем или, вообще, боитесь на них смотреть, то найдите в себе
силы и попробуйте детально разобраться и выучить, хотя бы одну.
Затем продемонстрируйте свои знания, в рамках этой схемы, коллегам. Если что-то не понятно, у них же и спросите.
Если все получится, то, конечно, вы ощутите радость и уверенность
в себе.
Ответы тестирования
Первый шаг. Ответы на ТЕСТ по теме: «Проводники. Диэлектрики.
Емкость. Закон Ома»
№1 — в; №2 — б; №3 — б; №4 — a; №5 — a; №6 — a; №7 — в; №8 — б;
№9 — в; №10 — г; №11 — в; №12 — в; №13 — г; №14 — б; №15 — б; №16 — a;
№17 — г; №18 — б; №19 — б; №20 — г.
Второй шаг. Ответы на ТЕСТ по теме: «Соединение сопротивлений.
Закон Ома. Электрические цепи. Мощность»
№1 — б; №2 — a; №3 — г; №4 — г; №5 — в; №6 — б; №7 — б; №8 — в;
№9 — a; №10 — в; №11 — б; №12 — в; №13 — a; №14 — б; №15 — г; №16 — в;
№17 — a; №18 — б; №19 — в; №20 — a.
Третий шаг. Ответы на ТЕСТ по теме: «Магнетизм и электромагнетизм»
№1 — в; №2 — в; №3 — a; №4 — г; №5 — в; №6 — в; №7 — г; №8 — г;
№9 — б; №10 — в.
Четвертый шаг. Ответы на ТЕСТ по теме: «Переменный ток и цепи переменного тока»
№1 — г; №2 — a; №3 — в; №4 — г; №5 — б; №6 — a; №7 — г; №8 — a;
№9 — б; №10 — в.
Пятый шаг. Ответы на ТЕСТ по теме: «Трехфазный переменный ток»
№1 — б; №2 — б; №3 — б; №4 — в; №5 — в; №6 — б; №7 — a; №8 — в;
№9 — a; №10 — в.
Шестой шаг. Ответы на ТЕСТ по теме: «Трансформаторы»
№1 — г; №2 — г; №3 — б; №4 — в; №5 — a; №6 — a; №7 — в; №8 — a;
№9 — в; №10 — г.
Седьмой шаг. Ответы на ТЕСТ по теме: «Асинхронные двигатели»
№1 — a; №2 — б; №3 — в; №4 — a; №5 — в; №6 — г; №7 — б; №8 — a;
№9 — б; №10 — в.
Восьмой шаг. Ответы на ТЕСТ по теме: «Синхронные машины»
№1 — б; №2 — в; №3 — г; №4 — г; №5 — г; №6 — б; №7 — a; №8 — a;
№9 — б; №10 — в.
Девятый шаг. Ответы на ТЕСТ по теме: «Машины постоянного тока»
№1 — a; №2 — a; №3 — г; №4 — б; №5 — a; №6 — в; №7 — г; №8 — б;
№9 — в; №10 — б.
Десятый шаг. Ответы на ТЕСТ по теме: «Полупроводниковые приборы»
№1 — в; №2 — б; №3 — a; №4 — г; №5 — в; №6 — a; №7 — в; №8 — г;
№9 — a; №10 — в.
Одиннадцатый шаг. Ответы на ТЕСТ по теме: «Устройства электроники»
№1 — в; №2 — в; №3 — a; №4 — г; №5 — a; №6 — a; №7 — a; №8 — г; №9 — б;
№10 — б.
На веб-страницах
На основе данной книги создан мультимедийный диск на котором
темы раскрываются с помощью анимации, видеороликов и подкастов.
Некоторые видеоролики можно скачать и просмотреть на страницах авторского сайта «Электрокласс» (www.eleczon.ru) в разделе
«Основы электротехники и электроники» (www.eleczon.ru/ucheba/
osnovi.html), они помогут в освоении материала самоучителя.
Сайт мультимедийного диска «В мир электричества — как в первый раз!» находится по адресу: www.eltray.com.
Есть мультимедийное продолжение изучения материала также на
DVD-диске по адресу: www.eltray.com/in_world2.php
А также существует электронное издание «История изучения электричества». Первая часть — предыстория описаний и открытий, до
появления работ Вольта и Гальвани, которые вызвали у человечества
интерес к электричеству, и получили первый искусственный источник
питания — «вольтов столб». В последующих пяти частях рассказывается о тех законах, на которых основано электричество, о великих
экспериментах, повлекших появление понятия «электротехника».
Здесь, рядом с описаниями основных законов, герои истории электричества — Кулон, Ом, Кирхгоф, Ленц… Существует много книг, где
о судьбах великих изобретателей и ученых рассказано намного подробнее. Это же издание — не о судьбах замечательных людей и не о
биографии ученых-физиков, его тема — конкретные практические
действия и открытия именно в направлении электротехники.
Этот материал поможет заполнить некоторые пробелы и окажется
интересен и школьникам, и их родителям, и учителям и, конечно же,
всем тем, кто связал свою жизнь с покорением самого интересного и
загадочного явления природы (www.electricity-history.ru/).
Выбрать интересующий Вас ресурс можно на веб-странице по
адресу: www.eltray.com/vipusk-akcia-afterespond-povtor.php
Уважаемые господа!
Книги издательства «Наука и Техника»
Вы можете заказать наложенным платежом
в наших интернет-магазинах
www.nit.com.ru, www.nit-kiev.com
а также приобрести
в крупнейших магазинах г. Москвы:
ТД «БИБЛИО-ГЛОБУС»
ул. Мясницкая, д. 6/3, стр. 1,
ст. М «Лубянка»
тел. (495) 781-19-00,
624-46-80
Московский Дом Книги,
ул.Новый Арбат, 8, ст. М «Арбатская»,
«ДК на Новом Арбате»
тел. (495) 789-35-91
Московский Дом Книги, Ленинский пр., д. 40,
ст. М «Ленинский пр.»,
«Дом технической книги»
тел. (499) 137-60-19
Московский Дом Книги, Комсомольский пр., д. 25,
ст. М «Фрунзенская»,
«Дом медицинской книги»
тел. (499) 245-39-27
Дом книги «Молодая гвардия»
ул. Б. Полянка, д. 28, стр. 1,
ст. М «Полянка»
тел. (499) 238-50-01
Сеть магазинов «Новый книжный»
тел. (495) 937-85-81, (499) 177-22-11
в крупнейших магазинах г. Санкт-Петербурга:
Санкт-Петербургский Дом Книги Невский пр. 28
тел. (812) 448-23-57
«Энергия»
Московский пр. 57
тел. (812) 373-01-47
«Аристотель»
ул. А. Дундича 36, корп. 1
тел. (812) 778-00-95
Сеть магазинов «Книжный Дом»
тел. (812) 559-98-28
в регионах России:
г. Воронеж, пл. Ленина д. 4
г. Екатеринбург,
ул. Антона Валека д. 12
г. Екатеринбург
г. Нижний Новгород,
ул. Советская д. 14
г. Смоленск, ул. Октябрьской
революции д. 13
г. Челябинск, ул. Монакова, д. 31
г. Хабаровск
«Амиталь»
(4732) 24-24-90
«Дом книги»
Cеть магазинов
«100 000 книг на Декабристов»
(343) 253-50-10
(343) 353-09-40
«Дом книги»
(831) 277-52-07
«Кругозор»
«Техническая книга»
Сеть книжно-канцелярских
магазинов фирмы «Мирс»
(4812) 65-86-65
(904) 972 50 04
(4212) 26-87-30
и на Украине (оптом и в розницу) через представительство издательства
www.nit-kiev.com
e-mail: nitkiev@gmail.com
Мы рады сотрудничеству с Вами!
Занимательная
электроника
и электротехника
для начинающих
и не только...
Книга + виртуальный диск
Издание второе,
переработанное и дополненное
Наука и Техника, СанктПетербург
2017
УДК 621.3
Ванюшин М.
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только... Книга +
виртуальный диск. – Изд. 2-е, перераб. и доп. — СПб.: Наука и Техника, 2017. — 352 с.
ISBN 978-5-94387-871-8
В современном мире выросла роль технических специальностей, связанных с электроникой
и электротехникой. Освоить их самостоятельно станет легче, если есть под рукой будет
хорошая практическая книга-самоучитель.
Электротехника и электроника в книге рассматривается пошагово от самых азов. Если мате
риал каких-то Шагов вам знаком, смело переходите к следующему шагу. В книге нет «теории
ради теории». Изложено лишь самое необходимое, что позволит чувствовать себя уверенно
при практической работе с электротехникой и электроникой. Есть в книге и необходимые
базовые формулы, без которых не понять, как работает электротехника.
А основная часть самоучителя — практика, которую с этой книгой можно легко освоить
самостоятельно в ходе экспериментов. Помогут описания и рисунки практических работ
в домашних условиях при помощи легкодоступных для каждого приборов и материалов.
Книга проиллюстрирована мультимедийными роликами, которые можно бесплатно посмо
треть или скачать с сайта автора книги «Электрокласс» (www.eleczon.ru) в разделе «Основы
электротехники и электроники». Они помогут в освоении материала самоучителя.
Это лучший самоучитель для тех, кто делает первые шаги в освоении практической электро
ники и электротехники.
Автор и издательство не несут ответственности
за возможный ущерб, причиненный в ходе
использования материалов данной книги.
Контактные телефоны издательства
(812) 4127025, 4127026
9 785943 878718
ISBN 978-5-94387-871-8
Официальный сайт: www.nit.com.ru
© Ванюшин М.
© Наука и Техника (оригиналмакет), 2017
ООО «Наука и Техника».
Лицензия № 000350 от 23 декабря 1999 года.
198097, г. СанктПетербург, ул. Маршала Говорова, д. 29.
Подписано в печать
. Формат 70×100 1/16.
Бумага газетная. Печать офсетная. Объем 22 п. л.
Тираж 1000 экз. Заказ №
Отпечатано с готовых файлов заказчика
в АО «Первая Образцовая типография»
филиал «УЛЬЯНОВСКИЙ ДОМ ПЕЧАТИ»
432980, г. Ульяновск, ул. Гончарова, 14
Оглавление
Вместо предисловия. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
От автора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
ПЕРВЫЙ ШАГ
Знакомьтесь: КИРПИЧИКИ, из которых состоит электротехника. . . . . . . . . . . 16
Сделаем ПЕРВЫЙ шаг в электронику и электротехнику. В качестве пер
вого шага вы познакомитесь с основами электротехники. Узнаете о про
исхождении электричества. Изучите проводники, диэлектрики, конден
саторы, индуктивности и освоите базовые законы электротехники: Ома
и Кулона. А в завершении приводятся контрольные вопросы, которые
помогут самостоятельно оценить уровень освоения материала.
ВТОРОЙ ШАГ
Познакомимся с ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Сделав ВТОРОЙ шаг, вы познакомитесь с постоянным током. Рассмотрите
зависимости сопротивлений, последовательное, параллельное и сме
шанное соединение, зависимости тока, работу и мощность. Изучите рас
чет цепей и их режимы. Познакомитесь с химическими источниками. И в
завершении — ответите на вопросы для самотестирования.
ТРЕТИЙ ШАГ
А теперь познакомимся с МАГНИТНЫМИ ЯВЛЕНИЯМИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Сделав ТРЕТИЙ шаг, вы познакомитесь с магнитизмом. Рассмотрите
такие вопросы: магниты и их свойства, напряженность магнитного тока,
закон полного тока, взаимодействие проводников с токами, гистере
зис, электромагниты. Освоите вихревые токи, самоиндукцию, энергию
магнитного поля, расчет индуктивности, взаимоиндукцию. И в заверше
нии — ответите на вопросы для самотестирования.
ЧЕТВЕРТЫЙ ШАГ
Начинаем изучать ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
Сделав ЧЕТВЕРТЫЙ шаг, вы познакомитесь с переменным током, кото
рый наиболее широко используется в быту, рассмотрев такие вопросы.
Получение ЭДС. Синусоидальная ЭДС. Активное сопротивление, катушка
индуктивности в цепи переменного тока. Активное, индуктивное и
емкостное сопротивления в цепи переменного тока. Параллельное
соединение реактивных сопротивлений. Резонанс токов. Мощность.
И в завершении — ответите на вопросы для самотестирования.
ПЯТЫЙ ШАГ
Пришла пора изучить ТРЕХФАЗНЫЙ ТОК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
Сделав ПЯТЫЙ шаг, вы познакомитесь с трехфазным током, который эко
номичнее однофазного. Вы будешь знать, что такое трехфазные генера
торы, как нужно производить соединение обмоток, включать нагрузки
в сеть трехфазного тока. Рассмотрите мощность трехфазной цепи, вра
щающееся магнитное поле. И в завершении — ответите на вопросы для
самотестирования.
ШЕСТОЙ ШАГ
Интересно, а как работают ТРАНСФОРМАТОРЫ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
Сделав ШЕСТОЙ шаг, вы познакомитесь с трансформаторами, устрой
ствами, которые снижают или повышают напряжение и ток, развя
зывают цепи. Вам будет понятен их принцип действия, устройство и
работа. Рассмотрите однофазные и трехфазные трансформаторы, авто
трансформаторы, измерительные трансформаторы. Произведете опыты
холостого хода и короткого замыкания. И в завершении — ответите на
вопросы для самотестирования.
СЕДЬМОЙ ШАГ
Будем знакомы: АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
Сделав СЕДЬМОЙ шаг, вы познакомитесь с асинхронными двигателями,
которые отличаются простотой конструкции и обслуживания. Освоите
принцип действия и устройство асинхронного двигателя, его работу под
нагрузкой, вращающий момент и рабочие характеристики. Рассмотрите
пуск в ход, регулирование частоты вращения однофазных и трехфазных
асинхронных двигателей. И в завершении — ответите на вопросы для
самотестирования.
ВОСЬМОЙ ШАГ
Знакомьтесь: СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ. . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Сделав ВОСЬМОЙ шаг, вы изучите синхронные машины (двигатели и
генераторы), скорость вращения рототора в которых определяется
частотой тока сети и числом пар полюсов. Вы рассмотрите принцип
действия и устройство синхронного генератора и двигателя, их работу
под нагрузкой. И в завершении — ответите на вопросы для самотести
рования.
ДЕВЯТЫЙ ШАГ
Как устроены и работают МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА. . . . . . . . . . . . . . . 249
Сделав ДЕВЯТЫЙ шаг, вы познакомитесь с машинами (двигателями и
генераторами) постоянного тока, рассмотрев такие вопросы. Принцип
действия и устройство генератора постоянного тока. Обмотки якорей и
ЭДС постоянного тока. Магнитное поле машины при нагрузке постоян
ного тока. Способы возбуждения генераторов. Характеристики генера
торов постоянного тока. Пуск, характеристики, регулирование частоты
вращения двигателей постоянного тока. Потери и КПД машин постоян
ного тока. И в завершении — ответите на вопросы для самотестирова
ния.
ДЕСЯТЫЙ ШАГ
Знакомтесь: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ. . . . 286
Сделав ДЕСЯТЫЙ шаг, вы познакомитесь с полупроводниковыми прибо
рами (диодами, транзисторами, тиристорами, микросхемами), которые
составляют основу любой электронной схемы. Узнаете вы и о газораз
рядных приборах: что такое ионизация газа и электрический заряд, как
работают фотоэлементы и многое другое. И в завершении — ответите
на вопросы для самотестирования.
ОДИННАДЦАТЫЙ ШАГ
Наконец, мы добрались до рассмотрения
УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОНИКИ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
В ходе финишного шага вы познакомитесь с практическими схемами
типовых устройств электроники: выпрямителями, сглаживающими филь
трами, стабилизаторами, усилителями низкой частоты, генераторами
гармонических колебаний, реле. А в завершении главы сможете отве
тить на вопросы для самотестирования. Теперь вы ПОДГОТОВЛЕННЫЙ
ЭЛЕКТРОТЕХНИК! Поздравляю!
Послесловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
Ответы тестирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
На веб-страницах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350
Содержание
Вместо предисловия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
От автора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
ПЕРВЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: КИРПИЧИКИ, из которых состоит электротехника. . . . . .
1.1. Кратко о происхождении электричества . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Взаимодействие тел. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Пьезоэффект . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Фотоэффект . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Термоэффект . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2. Проводники и их сопротивление. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Зависимость сопротивления от свойств проводника. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Взаимодействие движущихся электронов
с ионами кристаллической решетки. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Зависимость сопротивления от длины . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Зависимость сопротивления от площади поперечного сечения. . . . . . . . . . . . .
Реостаты, резисторы, потенциометры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Небольшая задача о резисторах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3. Диэлектрики и емкость. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Диэлектрики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Заряд и разряд конденсатора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Соединение конденсаторов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4. Ваш первый шаг в электронику. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Закон Кулона . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Электрический ток и внутреннее сопротивление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5. Вопросы для тестирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
16
16
18
19
20
22
22
ВТОРОЙ ШАГ. Познакомимся с ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1. Зависимости сопротивлений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Зависимость сопротивления от положения движка. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Зависимость сопротивления проводника от температуры. . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2. Последовательное соединение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3. Параллельное и смешанное соединение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
О чем нам говорит первый закон Кирхгофа. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Параллельное соединение резисторов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Смешанное соединение сопротивлений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Нелинейные сопротивления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4. Зависимости тока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Зависимость силы тока от напряжения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Зависимость силы тока от сопротивления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.5. Расчет цепей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Второй закон Кирхгофа. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Метод эквивалентного генератора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
42
42
42
43
45
48
48
50
51
52
53
53
56
59
59
60
24
24
25
27
28
28
28
30
32
32
32
34
38
Сложные электрические цепи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Метод узловых напряжений. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Метод контурных токов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6. Работа и мощность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Что такое мощность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
О чем нам говорит закон Ленца-Джоуля. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Нагревание проводников электрическим током . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Расчет сечения проводов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.7. Режимы цепи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Характерные режимы работы сети. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Соотношение мощностей в электрической цепи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Расчет мощности и КПД в цепи постоянного тока с переменным
сопротивлением и источником компьютерного блока питания . . . . . . . . . . . . .
2.8. Химические источники. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Первое знакомство. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Первый закон Фарадея. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Второй закон Фарадея. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Гальванические элементы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Аккумуляторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Щелочные аккумуляторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Приведение щелочных аккумуляторных батарей в рабочее состояние . . . . .
Приготовление электролита для щелочных аккумуляторных батарей. . . . . . .
Проверка плотности электролита аккумуляторных батарей. . . . . . . . . . . . . . . . .
Проверка уровня электролита аккумуляторных батарей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Смена электролита щелочных аккумуляторов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Заряд и разряд щелочных аккумуляторных батарей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Контрольно-тренировочный цикл щелочных аккумуляторных батарей. . . . .
Приведение кислотных аккумуляторных батарей в рабочее состояние. . . . .
Приготовление электролита для кислотных аккумуляторных батарей . . . . . .
Заряд и разряд кислотных аккумуляторных батарей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Контрольно-тренировочный цикл кислотных аккумуляторных батарей. . . . .
2.9. Вопросы для тестирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
62
65
66
68
68
70
71
71
73
73
75
77
79
79
80
81
81
84
87
89
89
91
92
92
93
94
95
96
96
97
99
ТРЕТИЙ ШАГ. А теперь познакомимся с МАГНИТНЫМИ ЯВЛЕНИЯМИ. . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.1. Магниты и их свойства. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Первое знакомство. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Магнитное поле электрического тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
Магнитное поле соленоида. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Проводник с током в магнитном поле. Магнитная индукция. . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.2. Напряженность магнитного тока. Закон полного тока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Магнитодвижущая сила. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Напряженность магнитного поля. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Магнитная проницаемость. Магнитный поток. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.3. Взаимодействие проводников с токами. Гистерезис. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Магнитные поля вокруг проводников. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Абсолютная магнитная проницаемость. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Электромагнит . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Явление гистерезиса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Коэрцитивная сила. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Петля гистерезиса. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Особенности ферромагнитных материалов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4. Электромагниты. Вихревые токи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Полярность электромагнита. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Электромагнитная индукция . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Вихревые токи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.5. Самоиндукция. Расчет индуктивности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Что такое самоиндукция. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Самоиндукция в прямолинейных проводниках . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Единицы индуктивности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Расчет самоиндуктивности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Расчет катушек индуктивности. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.6. Энергия магнитного поля. Взаимоиндукция. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.7. Вопросы для тестирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
114
114
115
116
117
117
118
118
119
123
124
124
125
126
126
127
130
133
ЧЕТВЕРТЫЙ ШАГ. Начинаем изучать ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4.1. Получение ЭДС. Синусоидальная ЭДС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
Получение переменной электродвижущей силы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
Синусоидальная движущая сила. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
4.2. Активное сопротивление, катушка индуктивности
в цепи переменного тока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
Активное сопротивление в цепи переменного тока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
Действующие значения тока и напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
Катушка индуктивности в цепи переменного тока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
4.3. Активное, индуктивное и емкостное сопротивления
в цепи переменного тока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
Цепь переменного тока, содержащая активное
и индуктивное сопротивления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
Емкость в цепи переменного тока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
Цепь переменного тока, содержащая активное
и емкостное сопротивление. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
Цепь переменного тока, содержащая активное, индуктивное
и емкостное сопротивления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
4.4. Параллельное соединение реактивных сопротивлений.
Резонанс токов. Мощность . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Параллельное соединение реактивных сопротивлений. Резонанс токов. . . . 155
4.5. Вопросы для тестирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
ПЯТЫЙ ШАГ. Пришла пора изучить ТРЕХФАЗНЫЙ ТОК . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
5.1. Трехфазные генераторы. Соединение обмоток. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
Работа трехфазные генераторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
Соединение обмоток генератора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
5.2. Включение нагрузки в сеть трехфазного тока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Включение нагрузки звездой. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Включение нагрузки треугольником . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Защита трехфазной сети предохранителями . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.3. Мощность трехфазной цепи. Вращающееся магнитное поле. . . . . . . . . . . . . . . . . .
Мощность трехфазной цепи. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Вращающееся магнитное поле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5.4. Вопросы для тестирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
168
168
170
171
172
172
175
180
ШЕСТОЙ ШАГ. Интересно, а как работают ТРАНСФОРМАТОРЫ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
6.1. Принцип действия, устройство и работа. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
Общие сведения о трансформаторах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
Принцип действия и устройство трансформатора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
Работа трансформатора под нагрузкой. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
6.2. Трехфазные трансформаторы. Опыты х.х. и к.з.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
Трехфазные трансформаторы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
Опыты холостого хода и короткого замыкания. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
Определение рабочих свойств трансформаторов
по данным опытов х.х. и к.з.. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
Опыт холостого хода однофазного трансформатора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
Опыт короткого замыкания однофазного трансформатора. . . . . . . . . . . . . . . . . 199
Опыт нагрузки однофазного трансформатора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
6.3. Автотрансформаторы и измерительные трансформаторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
Автотрансформаторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
Измерительные трансформаторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
6.4. Вопросы для тестирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
СЕДЬМОЙ ШАГ. Будем знакомы: АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
7.1. Принцип действия и устройство асинхронного двигателя. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
Общие сведения об электрических машинах. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
Принцип действия электрических машин . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
Принцип действия асинхронного двигателя. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
Устройство асинхронного двигателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
7.2. Работа под нагрузкой, вращающий момент и рабочие характеристики
асинхронного двигателя. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
Работа асинхронного двигателя под нагрузкой. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
Вращающий момент асинхронного двигателя. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
Рабочие характеристики асинхронного двигателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
7.3. Пуск в ход и регулирование частоты вращения трехфазных асинхронных
двигателей. Однофазные асинхронные двигатели. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
Пуск в ход асинхронных двигателей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
Двигатели с улучшенными пусковыми свойствами. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
Регулирование частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей. . . 228
Однофазные асинхронные двигатели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
7.4. Вопросы для тестирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
ВОСЬМОЙ ШАГ. Знакомьтесь: СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ И ГЕНЕРАТОРЫ. . . . . . . . . . . . 234
8.1. Принцип действия и устройство синхронного генератора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Схема синхронного генератора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Устройство синхронного генератора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 238
8.2. Работа синхронного генератора под нагрузкой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
8.3. Синхронные двигатели. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
8.4. Вопросы для тестирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
ДЕВЯТЫЙ ШАГ. Как устроены и работают МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА. . . . . . . . . . 249
9.1. Принцип действия и устройство генератора постоянного тока. . . . . . . . . . . . . . . . 249
9.2. Обмотки якорей и ЭДС машины постоянного тока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
9.3. Магнитное поле машины при нагрузке постоянного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
Магнитное поле при нагрузке. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
Коммутация тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
9.4. Способы возбуждения генераторов.
Характеристики генераторов постоянного тока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
Работа машины постоянного тока в режиме генератора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
Способы возбуждения генераторов постоянного тока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
Характеристики генераторов постоянного тока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
9.5. Пуск, характеристики, регулирование частоты вращения
двигателей постоянного тока. Потери и КПД машин постоянного тока. . . . . . 274
Работа машины постоянного тока в режиме двигателя. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
Пуск двигателей постоянного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276
Характеристики двигателей постоянного тока . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока. . . . . . . . . . . . 282
Потери и КПД машин постоянного тока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
9.6. Вопросы для тестирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
ДЕСЯТЫЙ ШАГ.
Знакомьтесь: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ. . . . . . . . . . . . . . . . 286
10.1. Первое знакомство с полупроводниковыми приборами. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
Электропроводность полупроводников. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
Полупроводниковые диоды. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
10.2. Транзисторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
Первое знакомство. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
Принцип действия транзистора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
Схемы включения транзисторов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
Характеристики транзистора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
Плоскостной германиевый транзистор. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
Сравнение транзисторов и электронных ламп . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
10.3. Тиристоры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
Первое знакомство. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
Принцип действия тиристора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
Устройство тиристора. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
10.4. Ионизация газа и электрический заряд. Фотоэлементы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
Ионизация газа и электрический заряд. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Тлеющий разряд. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Дуговой разряд. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Газотрон. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Фотоэлементы с внешним фотоэффектом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом и с запирающим слоем. . . . . . . .
10.4. Вопросы для тестирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
303
305
306
307
309
311
314
ОДИННАДЦАТЫЙ ШАГ.
Наконец, мы добрались до рассмотрения УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОНИКИ. . . . . . . . . . . . . . 316
11.1. Выпрямители. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
Первое знакомство. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
Схемы соединения вентилей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
Однофазная мостовая схема выпрямления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
Трехфазная схема выпрямления. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
Кривые регулируемого выпрямленного напряжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
11.2. Сглаживающие фильтры. Стабилизаторы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
Сглаживающие фильтры. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
Стабилизаторы напряжения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
11.3. Усилители низкой частоты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
Назначение и классификация. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
Основные параметры усилителей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
Искажения сигнала. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327
Обратная связь. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
Смещение в ламповых усилителях. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
Транзисторные усилители. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
11.4. Генераторы гармонических колебаний. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
11.5. Реле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
11.6. Вопросы для тестирования. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338
Послесловие. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
340
Ответы тестирования . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
349
На веб-страницах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
350
Ваш индивидуальный
универсальный помощник
Теоретические вопросы в книге иллюстрируются
практическими опытами, которые вы можете проводить
в домашних условиях с использованием простых приборов и электронных компонентов.
Перед вами универсальный измерительный прибор, который
использовался автором книги при проведении опытов. Ознакомтесь с
органами управления этого мультиметра.
Примечание.
Показания приборов при замерах могут отличаться от показаний
на картинках из-за погрешностей самих приборов и "излишних"
сопротивлений проводов (в том числе проводов приборов) и контактов соединений.
вольтм етр
перем енного
тока
вольтм етр
постоянного
тока
табло
DCV
500
200
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
DCA
20
переклю чатель
200 m
2000 m
2000
m
панель для
проверки
транзисторов
200m
2000
k
200
W k
E
E
B
B
C
C
E
E
10 DCA
20k
2000 200
OFF
NPN PNP
вы клю чатель
питания
прибора
м илиам перм етр
постоянного
тока
20m
200
m
килоО м м етр
проверка
элем ентов
питания
FUKE
DT–830B
hFE
ON
10A
10A MAX
V W mA
500VAC
500VDC
200mAmax
COM
ам перм етр
постоянного
тока и его
гнездо
проверка
транзисторов
проверка диода
гнездо для щ упа
полож ительной
полярности
гнездо для щ упа
отрицательной
полярности
Вместо предисловия
«Образование дома? Это смешно!» — скажете вы. Смешного в этом
ничего нет. Да, нелегко без педагога, без наставника. А вы знаете многих учителей, которые знают свое дело «от и до»? А как же они преподают?
Разумеется, преподают с помощью методических и учебных пособий, они всегда под рукой. Прочитал молодой педагог с вечера «материальчик» к предмету, как домашний урок и пошел со шпаргалкой на
следующий день детей учить. Конечно, в процессе работы этот человек станет учителем и может быть не плохим. А станет он им благодаря книгам.
Почему бы нам с вами не попробовать учиться дома? Выгадал
минутку, сел за стол, почитал, сегодня не получилось, завтра продолжил. Есть небольшое «но». Тот педагог доучивался и набирался опыта,
потому что школа — это его основная работа, у него был стимул.
Стимул — это необходимое условие для всех начинаний. Где
взять? Для этого разработаны некоторые уроки и методы обучения.
Начинать надо с выбора профессии, которая вам по душе.
Не имеет значения, молоды вы или нет, учиться никогда не поздно.
Много людей живет до преклонного возраста и жалеют о том, что не
стали учиться тогда, когда думали, что уже поздно.
В 30—40 лет не задумываясь — вперед!
Есть такие моменты: работает человек, работает, время идет, а
работа-то так себе, отпахал рабочее время, думая о прекрасном, да и
ладно. А есть же в каждом стремление к чему-то индивидуальному,
творческому, есть, наконец, мечты.
Подумайте, в каком направлении деятельности вы могли бы совмещать ваши желания с работой, а еще лучше, если работа и была бы
воплощением ваших желаний.
Главным фактором в успехах нашей жизни является состояние
души, уязвимое место, часто бывает причиной неудач и неразумных
поступков.
Психологическое равновесие способствует присутствию радости и
счастья в учебе, в работе, и вообще, в жизни.
Прежде чем вы делаете какое-либо решение, серьезное решение —
«Куда пойти учиться?», «Кем пойти работать?», в первую очередь,
14
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
обращайте внимание на свои ощущения при рассмотрении сущности,
основы, перспективы предмета своего выбора.
Ни в коем случае не должны влиять на ваше сознание месторасположение учебы или работы.
Ни советы (даже друзей, они также могут быть ошибочными), ни
примеры, которые обычно неудачно приводятся, даже зарплата (в
основном зарплата зависит не от сферы деятельности, а от должности, которую вы займете, если будете хорошо учиться и работать) не
помогут.
Можно конечно прислушаться к человеку компетентному, являющемуся примером благополучия, опять же, это — его успехи, это —
ему нравится его деятельность, а где же «Ваше»?
А «Ваше» внутри вас самих.
Вообще, как говорится — «сердце подскажет», но кажется — это
работает не всегда, а скорее всего, не работает никогда.
Так что, отодвигайте деньги, советы, примеры и приметы в сторону
и просто выбирайте то, что вам нравится, учитывая, что будете заниматься этим долго, может даже всю вашу счастливую жизнь.
Бывают моменты, когда материал плохо запоминается, но силы и
желание не покинули вас, нужно снова повторять и повторять.
И в награду за ваше усердие будет огромная радость, которая дает
толчок к следующим шагам обучения. В общем, человек «устроен так,
что без стимула никак». Этим стимулом в образовании является положительный результат уже изученного.
Любой предмет, наука или курс выстроен ступенчато — от легкого к сложному, по-другому нельзя. Так вот, пропущенные ступени
в процессе учебы оказывают большое влияние на конечный результат, знания становятся несвязанные, рыхлые, полные белых пятен.
Необходимо полностью выучить очередной шаг, тем самым стимулируя себя, и быть затем готовым к следующим достижениям.
Надо помнить, что результат вашего труда — это ваш результат.
Какой бы он ни был — плохой, хороший, «из ряда вон...» и т. д. — но
он ваш, и каким ему быть зависит только от вас.
Конечно, помощником для человека всегда была книга.
От автора
У вас появляется прекрасная возможность овладеть фундаментальными знаниями в области электротехники и электроники. Не выходя
из дома, получить серьезную практику ремонтных работ. Кому и для
чего это нужно?
Во-первых: человеку, только начинающему жить. Человеку, у которого, впереди выбор профессии и выбор способа ее освоить. Для
осуществления этого необходим психологический настрой, чтобы не
сделать поспешных решений, которые чаще всего оказываются ошибочными.
Зная, в общих чертах, об уровне сложности изучаемого материала,
об основных моментах и принципах будущей профессии, уверенный в
себе молодой человек, примет обдуманное, правильное решение.
Во-вторых: это нужно тем людям, которые поняли, что оступились
при выборе профессии и учебы. Учились, работали, а все без интереса. Сменить профессию тоже нелегко, но поверьте, намного легче,
чем вы думаете, просто надо действовать пока не поздно. Если у вас
сложилась такая ситуация, то сможете подготовить и настроить себя
на перемены. Отнестись к этому, как к серьезному моменту вашей
жизни. Читайте, готовьтесь.
В-третьих: для тех, кто решил изучать электротехнику и электронику окончательно и бесповоротно.
Если хотя бы один из пунктов вам подходит, то просим ознакомиться!
Скелетом книги служит классическая теория электротехники и
самых первых шагов в электронику. Здесь присутствуют описания и
рисунки практических работ в домашних условиях при помощи легкодоступных для каждого приборов и материалов.
ПЕРВЫЙ ШАГ
Знакомьтесь: КИРПИЧИКИ,
из которых состоит электротехника
Сделаем ПЕРВЫЙ шаг в электронику и электротехнику.
В качестве первого шага вы познакомитесь с основами
электротехники. Узнаете о происхождении электричества. Изучите проводники, диэлектрики, конденсаторы,
индуктивности и освоите базовые законы электротехники: Ома и Кулона. А в завершении приводятся контрольные вопросы, которые помогут самостоятельно оценить
уровень освоения материала.
1.1. Кратко о происхождении электричества
Взаимодействие тел
Образно рассмотрим, что это такое — электричество. Как известно
все тела состоят из мельчайших частиц — молекул, молекулы из атомов, атомы еще из более мелких протонов, нейтронов, электронов.
Каждая частица, молекула, тело имеет свой энергетический заряд.
Тела с положительным (+) зарядом притягиваются к телам с отрицательным (–) зарядом, а если одноименные — (+) с (+) и (–) с (–), то
отталкиваются (рис. 1.1).
Наблюдается тенденция движения.
Интенсивность этого движения частиц в веществах зависит от
многих причин: деформация, воздействие света, нагревание, трение,
химические реакции.
Рис. 1.1. Взаимодействие тел
ПЕРВЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: КИРПИЧИКИ, из которых состоит электротехника
17
Электроны движутся вокруг ядра и находятся
e
от него на различных расстояниях, поэтому взаe
e
имодействие положительных зарядов протонов
P
e
ядра с электронами неодинаково, оно ослабляется
N
по мере удаления электрона от ядра (рис. 1.2).
e
Таким образом, может меняться число электронов, наиболее удаленных от ядра и наиболее
Рис. 1.2. Расположение
слабо связанных с ядром.
электронов
Число электронов в атомах материалов можно
изменить трением, нагреванием, с помощью света,
деформации, химических реакций и т. д. Установлено, что из некоторых
веществ под действием света вылетают электроны и эти вещества заряжаются положительным зарядом. Это явление называется фотоэффектом, на нем основан принцип работы фотоэлементов.
При нагревании металлов до определенной температуры скорости
движения слабо связанных с ядром электронов достигают величин,
при которых их кинетической энергии хватает, чтобы оторвать электроны от ядра. Электроны становятся свободными с отрицательными
зарядами, а атомы металла, потерявшие электроны, обретают положительные заряды. Это явление называется термоэлектронной эмиссией и используется, в частности, в кинескопах телевизоров.
В химических источниках электрической энергии положительные и
отрицательные полюсы образуются в результате переноса зарядов при
химических реакциях (аккумуляторы). При механической деформации
(сжатии, растяжении и т. д.) на поверхности некоторых кристаллических
тел (например, кварца) возникают электрические заряды. Это явление
называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. При обратном пьезоэффекте кристалл деформируется под действием электроэнергии.
При этом образуются небольшие источники двух полярностей (+)
и (–). Каждая полярность имеет свою величину — потенциал.
Определение.
Запас энергии (потенциальная энергия) единицы количества электричества, находящейся в данной точке электрического поля,
называется потенциалом.
Чем больше потенциал, тем больше разница между (+) и (–). Так
вот, эта разница потенциалов (+) и (–) — есть электродвижущая
сила (ЭДС).
18
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
В замкнутой цепи электрический ток протекает под действием
электродвижущей силы (ЭДС) источника энергии. Электродвижущая
сила возникает в источнике и при отсутствии тока в цепи, т. е. когда
цепь разомкнута. При холостом ходе, т. е. при отсутствии тока в цепи,
ЭДС равна разности потенциалов на зажимах источника энергии.
Также как и разность потенциалов, ЭДС измеряется в вольтах (В).
Как при замкнутой, так и при разомкнутой электрической цепи
ЭДС непрерывно поддерживает разность потенциалов на зажимах
источника энергии.
В наличии ЭДС можно убедиться, если присоединить к полюсам
источника энергии (вместо линейных проводов) прибор, называемый вольтметром. Стрелка вольтметра при этом отклонится на
некоторый угол. У цифрового прибора изменится значение на дисплее. Отклонение будет тем больше, чем больше ЭДС источника
энергии.
Однако вольтметр покажет не величину ЭДС, а, как мы увидим
дальше, напряжение на зажимах источника, которое также, как и ЭДС,
измеряется в вольтах (В), киловольтах (кВ), милливольтах (мВ):
1 вольт = 1000 милливольт; 1000 вольт = 1 киловольт
Можно представить эти источники в виде маленьких макетов
больших источников электрической энергии, которые создал человек
(генераторы, аккумуляторы, но об этом позже).
Пьезоэффект
Ученые всего мира бьются над проблемой продления жизни источников энергии. И среди них Мартын Нунупаров, российский физиктеоретик и изобретатель, кандидат физико-математических наук,
заведующий лабораторией микроэлектроники Института общей
физики РАН. Он изобрел оригинальное устройство, обеспечивающее
микроэлектронику электричеством, — так называемый пьезоконвертер. Именно под таким названием этот предмет уже запатентован в
России, США и еще 24 странах.
«Всем известно, что два разнозаряженных предмета притягиваются», — объясняет физик. — «Но обычно сила этого притяжения
мала и ненадежна. Я стал экспериментировать и выяснил: специальные полимерные пластинки, заряженные определенным образом, притягиваются друг к другу с силой в несколько килограммов! Притом,
что они заряжены зарядом всего лишь в один микрокулон».
ПЕРВЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: КИРПИЧИКИ, из которых состоит электротехника
19
Поясним: пьезоэффект — это свойство кристаллов некоторых веществ при сжатии изменять кристаллическую решетку и как
результат выдавать электрический заряд очень большого напряжения.
Впервые это свойство у кристаллов кварца еще в 1880 году обнаружили французские физики Жак и Поль Кюри. Сегодня известно более
полутора тысяч веществ, обладающих такими свойствами, из них
широко используются сегнетова соль и титанат бария. Самым распространенным на сегодняшний день прибором, в котором используется
пьезоэффект, является зажигалка.
Искру, которую дает пьезоэлемент, надо еще «поймать и заставить работать с микропроцессором». Мартын Нунупаров придумал
пьезоконвертер, состоящий из трансформатора, двух диодов и конденсатора. Опытный образец был готов через несколько месяцев.
Гарантия — десять миллионовциклов. Причем никакого щелчка не
слышно — кристалл сжимается беззвучно.
На сегодняшний день пьезоконвертер, дистанционные выключатели, безбатарейные датчики очень заинтересовали службы безопасности, шахтеров, пожарных, газовиков и нефтяников. Потому что
они обеспечивают автономную беспроводную сигнализацию, в которой благодаря герметичности совершенно отсутствует возможность
искрения (особенно это важно для шахтеров и пожарных, так как
исключается риск взрыва). И никогда не надо менять батарейки.
О статическом электричестве ученые знали давно. Например, знаменитая Мария Склодовская-Кюри использовала это явление для
изучения свойств магнитных материалов. Широко используются пьезоэлементы в качестве источников звука, датчиков вибрации, поляроидных пленок.
Фотоэффект
Определение.
Фотоэлемент — электронный прибор, в котором в результате
поглощения энергии падающего на него оптического излучения генерируется ЭДС (фотоЭДС) или электрический ток (фототок).
Действие фотоэлемента основывается на фотоэлектронной эмиссии или внутреннем фотоэффекте.
Фотоэлемент, действие которого основано на фотоэлектронной
эмиссии, представляет собой электровакуумный прибор с двумя элек-
20
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
тродам — фотокатодом и анодом (коллектором электронов), помещенными в вакуумированную либо газонаполненную стеклянную
или кварцевую колбу.
Световой поток, падающий на фотокатод, вызывает фотоэлектронную эмиссию с его поверхности; при замыкании цепи фотоэлемента в
ней протекает фототок, пропорциональный световому потоку.
В газонаполненных фотоэлементах в результате ионизации газа и
возникновения несамостоятельного лавинного электрического разряда в газах фототок усиливается. Наиболее распространены фотоэлементы с сурьмяно-цезиевым и кислородно-серебряно-цезиевым
фотокатодами. Материалами, из которых выполняют полупроводниковые фотоэлементы, являются Se, GaAs, CdS, Ge, Si и др.
Фотоэлементы обычно служат приемниками излучения или приемниками света (полупроводниковые фотоэлементы в этом случае
нередко отождествляют с фотодиодами). Полупроводниковые фотоэлемент используют также для прямого преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию — в солнечных батареях,
фотоэлектрических генераторах.
Термоэффект
Принцип действия термопары основан на том, что нагревание или
охлаждение контактов между проводниками, отличающимися химическими свойствами, сопровождается возникновением термоэлектродвижущей силы (термоЭДС).
Термопара состоит из двух металлов, сваренных на обоих концах.
Один конец помещается в месте замера температуры. Второй спай
термостатируется, или измеряется его температура и погрешность
вычитается расчетным способом.
Метрологической характеристикой теромопары является градуировочная таблица, в которой указана температура «горячего» конца
теромопары, и термоЭДС, развиваемая термопарой при этой температуре. При этом необходимо учитывать температуру «холодного» конца
термопары, и термоЭДС, развиваемую на нем необходимо вычесть из
термоЭДС «горячего» конца термопары. Термопары бывают:
открытого типа;
закрытого типа.
Применяются термопары для измерения температуры различных объектов, а также в автоматизированных системах управления и контроля.
ПЕРВЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: КИРПИЧИКИ, из которых состоит электротехника
21
Преимущества термопар:
большой температурный диапазон измерения;
измерение высоких температур до 1800—2200°С.
Недостатки термопар:
точность более 1°С труднодостижима, необходимо использовать
термометры сопротивления или термисторы;
на показания влияет температура свободных концов, на которую необходимо вносить поправку;
возникает погрешность от изменения температуры холодного
спая;
эффект Пельтье (в момент снятия показаний, необходимо исключить протекание тока через термопару, т. к. ток, протекаемый
через нее, охлаждает горячий спай и разогревает холодный).
Пример.
Самый простой и приемлемый вариант — это термопара с термоЭДС не менее 15 мВ при температуре пламени спички и длиной выводов не менее 100 мм.
Как показали эксперименты, хорошую термопару можно изготовить из стойки токоподвода электрической лампы накаливания на
220 В мощностью 150 Вт и отрезка нихромовой проволоки такого же
диаметра. Следует лишь заметить, что термопары из случайных материалов могут иметь существенный разброс удельной термо-ЭДС.
Концы отрезков заготовки будущей термопары укладывают вровень, туго скручивают между собой на 2—3 витка и на получившуюся
скрутку плотно наматывают конец гибкого медного провода сечением
не менее 1,5 мм2.
Второй конец провода подключают к зажиму источника тока
10—15 А напряжением 10—20 В.
Ко второму зажиму источника таким же проводом подключают
обломок графитового стержня от мягкого простого карандаша.
Конец скрутки заготовки целесообразно покрыть слоем пасты из
воды и буры или растолченного материала обмазки сварочного электрода. Провода должны быть возможно короче.
Включив источник и касаясь концом графитового стержня конца
скрутки заготовки, оплавляют скрутку в возникающей электрической
дуге так, чтобы на ней образовался маленький шарик — спай термопары.
22
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
Можно изготовить термопару и без сварки — нужно только хорошо
зачистить и плотно свить концы. Однако надежность и долговечность
такой термопары заметно ниже.
Примеры химического эффекта: всевозможные элементы питания, аккумуляторы.
Прежде чем говорить о получении и использовании электроэнергии необходимо знать, как передать ее к потребителю.
1.2. Проводники и их сопротивление
Зависимость сопротивления от свойств проводника
Проведем практическую работу № 1. Для успешного проведения практических работ в домашних условиях будем пользоваться самыми доступными методами и компонентами. Кое-что придется приобрести в магазине,
кое-что заимствовать от старых и неисправных электроприборов.
В данной работе нам пригодятся:
мультиметр (тестер);
любой элемент питания, желательно в контейнере;
колодка контактная (любая);
переменный резистор (100—1000 Ом);
куски проволоки с разным удельным сопротивлением (табл. 1.1,
см. далее).
Сначала выставим резистор на сопротивление около 150 Ом, измеряя мультиметром в положении переключателя «200 Ом». Поставим
переключатель на измерение тока в миллиамперах.
Соберем электрическую цепь (рис. 1.3).
М УЛ ЬТИ М ЕТР
Подключим по очереди проводники одимА
наковой длины и с одинаковой площа250
1,5 В
Ом
дью поперечного сечения, но из разных
материалов.
Запишем показания прибора:
Н ихром S0,4 30 см
М едь S0,4 30 см
I1 = ... A, I2 = ... А.
Замеряем отрезок: нихром 0,4 мм 2,
30 см, получаем 14,00 мА.
Замеряем отрезок: медь 0,4 мм2, 30 см,
Н ихром S0,4 90 см
Н ихром S1,0 30 см
получаем 14,33 мкA.
Рис. 1.3. Варианты подключения
ПЕРВЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: КИРПИЧИКИ, из которых состоит электротехника
20 м А
14.00
DCV
500
200
20
500
200
E
B
C
E
OFF
NPN PNP
FUKE
DT–830B
200m
2000
k
200
W k
10 DCA
20k
2000 200
20m
200
m
200m
2000
k
200
W k
C
DCA
200 m
2000 m
2000
m
20m
B
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
20
200 m
2000 m
200
m
E
14.33
DCV
DCA
2000
m
E
20 м А
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
E
hFE
ON
10A
E
B
B
C
C
E
E
10 DCA
20k
2000 200
OFF
NPN PNP
10A MAX
V W mA
FUKE
500VAC
500VDC
200mAmax
DT–830B
hFE
ON
10A
10A MAX
V W mA
500VAC
500VDC
200mAmax
БАТАРЕЯ
COM
БАТАРЕЯ
COM
23
2×1,5 В
потенциом етр
2×1,5 В
потенциом етр
нихром 0,4
Рис. 1.4. Отрезок нихрома
м едь 0,4
Рис. 1.5. Отрезок меди
Вывод.
Сила тока зависит не только от напряжения, но и от свойств проводника. Это означает, что разные проводники оказывают разное
противодействие току, т. е. оказывают сопротивление.
Источник энергии, включенный в замкнутую электрическую цепь,
расходует энергию на преодоление сопротивления цепей.
Определение.
Устройства, которые включают в электрическую цепь для установления определенного сопротивления этой цепи, называются
резисторами.
Обозначение: R. Единица измерения: Ом. За единицу сопротивления принимают сопротивление такого проводника, в котором при
напряжении 1 В сила тока равна 1 А:
1 ом = 1 вольт/1 ампер
На практике используются и другие единицы сопротивления:
1 кОм = 1000 Ом, 1 мОм = 0,001 Ом, 1 МОм = 1000000 Ом.
Внимание.
Постоянная ошибка обучающихся! Путаница с соотношениями
единиц измерения в формулах, при установке данных. Будьте внимательны сейчас и всегда!
24
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
Правило.
Необходимо запомнить (очень важно), что при расчетах цепей, применяются единицы одного уровня.
Например: если U = nВольт, то I = nАмпер, R = nОм.
Взаимодействие движущихся электронов
с ионами кристаллической решетки
Выясним: что же является причиной, ограничивающей силу тока в
проводнике? Что представляет собой электрический ток в металлах?
Это направленное движение электронов.
Если бы электроны в проводнике не испытывали никаких помех в
своем движении, то они, будучи приведены в упорядоченное движение, двигались бы по инерции неограниченно долго.
В действительности электроны взаимодействуют с ионами кристаллической решетки металла. При этом замедляется упорядоченное движение электронов, и сквозь поперечное сечение проводника
за 1 секунду их проходит меньше.
Соответственно, уменьшается и переносимый электронами за
1 секунду заряд, т. е. уменьшается сила тока. Таким образом, каждый
проводник как бы противодействует электрическому току, оказывает
ему сопротивление.
Вывод.
Причина сопротивления — взаимодействие движущихся электронов с ионами кристаллической решетки.
Таким образом, сопротивление проводников зависит от свойств
вещества, из которого он изготовлен.
Зависимость сопротивления от длины
Проведем практическую работу № 2. Включим поочередно в цепь
проволоки из одинакового материала, но разной длины (рис. 1.6).
Запишем показания приборов. Замеряем отрезок: нихром 0,4 мм2,
90 см, получаем 13,16 мА.
ПЕРВЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: КИРПИЧИКИ, из которых состоит электротехника
Вывод.
Сопротивление проводника
зависит от его длины; чем
длиннее
проводник,
тем
больше сопротивление.
20 м А
25
13.16
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
DCV
500
200
DCA
20
200 m
2000 m
2000
m
20m
200
m
200m
2000
k
200
W k
10 DCA
E
E
B
B
C
C
E
20k
2000 200
OFF
E
NPN PNP
hFE
ON
10A
10A MAX
V W mA
FUKE
500VAC
500VDC
200mAmax
DT–830B
COM
Вывод.
Сопротивление проводника
зависит от площади поперечного сечения; чем больше
площадь поперечного сечения,
тем меньше сопротивление.
2×1,5 В
потенциом етр
нихром 0,4 (30 см )
нихром 0,4 (90 см )
Рис. 1.6. Нихром разной длины
20 м А
14.27
DCV
500
200
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
DCA
20
200 m
2000 m
2000
m
20m
200
m
200m
2000
k
200
W k
E
E
B
B
10 DCA
20k
2000 200
C
C
E
E
OFF
NPN PNP
FUKE
DT–830B
hFE
ON
10A
10A MAX
V W mA
500VAC
500VDC
200mAmax
COM
БАТАРЕЯ
Проведем практическую работу
№ 3. Включим поочередно в цепь
проволоки из одинакового материала и одинаковой длины, но с разной площадью поперечного сечения
(рис. 1.7). Запишем показания приборов.
Замеряем отрезок: нихром 1,0 мм2,
30 см, получаем 14,21 мА.
БАТАРЕЯ
Зависимость сопротивления
от площади поперечного сечения
2×1,5 В
потенциом етр
нихром 0,4
Целью проведенных работ являнихром 1,0
ется наглядное представление завиРис. 1.7. Нихром с разным
симостей сопротивления провопоперечным сечением
дника:
от свойств вещества, из которого он состоит;
от поперечного сечения проводника;
от длины проводника;
Запишем формулу для расчета сопротивления проводника:
R = ρl/S,
где ρ — удельное сопротивление вещества (табл. 1.1).
l — длина проводника, м;
S — сечение проводника, мм2.
26
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
Удельное электрическое сопротивление некоторых материалов
Материал
r, Ом×м2/м
Материал
Таблица 1.1
r, Ом×м2/м
Серебро
0,016
Манганин (сплав)
Медь
0,017
Константан (сплав)
0,43
0,5
Золото
0,024
Ртуть
0,96
Алюминий
0,028
Нихром (сплав)
1,1
Вольфрам
0,055
Фехраль (сплав)
1,3
Латунь
0,071
Хромель (сплав)
1,5
Железо
0,1
Графит
13
Олово
0,12
Уголь
Свинец
0,21
Фарфор
1019
Платино-иридиевый сплав
0,25
Эбонит
1020
Никелин (сплав)
0,4
40
Из формулы следует:
ρ = RS/l.
Единица измерения: (1 Ом×мм2)/м, или 1 Ом×м.
На практике часто площадь поперечного сечения выражают в мм2.
Поэтому удобно пользоваться единицей (1 Ом×мм2)/м
Выразим длину проводника и площадь поперечного сечения:
l = RS/ρ.
Поскольку R металлов зависит от температуры (R увеличивается при
повышении температуры), то в табл. 1.1 приводятся значения при 20°С.
Определение.
Способность проводника пропускать электрический ток называется проводимостью g.
Это величина, обратная сопротивлению, единица измерения которой является сименс:
См = 1/Ом.
Удельная проводимость: σ = 1/ρ.
Лучшие проводники электричества: серебро, медь.
Диэлектрики: фарфор, эбонит.
ПЕРВЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: КИРПИЧИКИ, из которых состоит электротехника
27
Реостаты, резисторы, потенциометры
Силу тока на практике приходится менять (уменьшать или увеличивать). Например, изменяя силу тока в динамике радиоприемника,
мы регулируем громкость; в электродвигателе швейной машины —
скорость вращения.
Прибор для регулирования силы тока называется Рис. 1.8. Графическое
реостатом (он же переменный резистор, рис. 1.8). обозначение реостата
Конструкция реостатов позволяет изменять длину проводника, по
которому идет ток, изменяя при этом сопротивление в цепи.
Путем изменения сопротивления цепи можно влиять на силу тока
в ней. От нее, в свою очередь, зависит действие, оказываемое током на
различные устройства в цепи.
В ползунковых реостатах используют проволоку с большим удельным сопротивлением — никелиновую или нихромовую — покрытую
тонким слоем окалины, т. е. витки такого реостата изолированы.
Ее наматывают на керамический цилиндр. По металлическому
стержню перемещается ползунок (рис. 1.9, рис. 1.10). Реостат рассчитан на определенное сопротивление (наибольшую силу тока).
Рис. 1.9. Мощный потенциометр
Рис. 1.10. Реостат
В современных радиоэлектронных устройствах используют резисторы — детали, обеспечивающие заданное (номинальное) электрическое сопротивление цепи (рис. 1.11).
Рис. 1.11. Набор постоянных
сопротивлений (резисторов)
Рис. 1.12. Набор переменных
сопротивлений (потенциометров)
28
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
Переменные сопротивления (потенциометры) могут иметь три
вывода, один из которых связан с подвижным контактом, скользящим
по поверхности проводящего слоя (рис. 1.12).
Сопротивление между любым крайним выводом переменного
резистора и подвижным контактом зависит от положения движка.
Небольшая задача о резисторах
Обязательным условием при изучении электротехники является
решение задач. Это способствует закреплению пройденных материалов.
1.3. Диэлектрики и емкость
Диэлектрики
Материалы, проводящие электрический ток, называются провод
никами. В ряде материалов, называемых диэлектриками, электрический ток не возникает. У таких материалов электрические заряды
молекул прочно связаны внутримолекулярными силами, и свободных
электронов очень мало.
Примеры.
К диэлектрикам относятся — мрамор, фарфор, слюда, стекло и др.
В молекулах диэлектрика очень трудно отделить отрицательный
заряд от положительного, но под действием сил электрического поля,
внутренние молекулярные заряды упруго смещаются:
положительные заряды — по направлению поля;
отрицательные заряды — в обратном направлении.
ПЕРВЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: КИРПИЧИКИ, из которых состоит электротехника
29
Вывод.
Таким образом, диэлектрик в электрическом поле поляризуется: на
поверхности диэлектрика, обращенной к положительно заряженному проводнику, образуется отрицательный заряд –Q, а на противоположной поверхности — положительный заряд +Q.
С устранением внешнего электрического поля эти заряды исчезают.
Система, состоящая из двух проводников, разделенных диэлектриком,
называется конденсатором, а проводники — обкладками конденсатора.
Если два таких проводника соединить с полюсами источника электрической энергии, то между ними (и разделяющем их диэлектрике)
создается электрическое поле. Положим, что конденсатор, состоящий
из двух металлических пластин А и Б, являющихся его обкладками,
подключен к полюсам источника тока.
Если напряжение этого источника U, то очевидно, что обкладки
конденсатора находятся под таким же напряжением U.
Электрическое поле, возникшее в диэлектрике
– +
конденсатора, характеризуется напряженностью.
U
Пусть расстояние между обкладками конденсатора
Б
А
l (рис. 1.13). Напряженность электрического поля
–
+
–
+
представляет собой отношение напряжения на
–
+
–
+
обкладках к расстоянию между ними, т. е. E = U/l.
–
+
–
+
Если напряжение на обкладках конденсатора
L
выражено в вольтах, а расстояние между параллельно
расположенными обкладками — в метрах, то напря- Рис. 1.13. Обкладки
конденсатора
женность электрического поля в диэлектрике конденсатора выражается в вольтах на метр (В/м).
Правило.
Чем больше напряжение на обкладках конденсатора, тем больше
напряженность поля в его диэлектрике.
Обкладки конденсатора, соединенные с полюсами источника энергии, имеют положительный и отрицательный заряды. Величины зарядов, равные между собой по абсолютной величине, пропорциональны
напряжению U на обкладках конденсатора.
Значит, если величину заряда на одной из обкладок обозначить
буквой Q, то можно написать следующее равенство:
Q = CU.
30
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
В этом равенстве величина С является так называемой емкостью
конденсатора.
Если заряд Q выражен в кулонах, а напряжение U в вольтах, то
емкость выражается в фарадах.
1 Ф = 1 000 000 мкФ = 1012 пФ (пикфарад).
Емкость конденсатора зависит от обкладок, расстояния между
ними и диэлектрической проницаемости.
Правило.
Емкость конденсатора тем больше, чем больше площадь S его
обкладок и диэлектрическая проницаемость среды, разделяющей
их, а также, чем меньше расстояние между обкладками.
Заряд и разряд конденсатора
Подключаем конденсатор к источнику энергии — происходит заряд
конденсатора до напряжения между обкладками U, равного напряжению источника Е. Обкладка, соединенная с положительным полюсом
источника, получит положительный заряд, вторая обкладка — равный по величине отрицательный заряд Q = CU.
Примечание.
Для заряда конденсатора необходимо, чтобы одна из обкладок
потеряла, а другая приобрела некоторое количество свободных
электронов.
Электроны движутся от одной обкладки конденсатора на другую
под действием напряжения источника. Движение этих зарядов называется током зарядки конденсатора.
С повышением напряжения на конденсаторе ток заряда уменьшается и постепенно становится равным нулю. В начальный момент
заряда конденсатора напряжение на нем быстро возрастает, так как
ток заряда имеет большую величину зарядов и происходит быстрое
накопление зарядов на обкладках конденсатора.
С повышением емкости конденсатора возрастает количество зарядов, накапливаемых на его обкладках, а с увеличением сопротивления
цепи уменьшается зарядный ток. Это замедляет накопление зарядов
на этих обкладках.
ПЕРВЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: КИРПИЧИКИ, из которых состоит электротехника
31
Если заряженный конденсатор замкнуть на какое-либо сопротивление R, то под действием напряжения на конденсаторе будет протекать ток разряда конденсатора.
Разряд конденсатора сопровождается переносом электронов с
одной пластины (где их избыток) на другую (где их недостаток). Он
продолжается до тех пор, пока потенциалы обкладок не станут одинаковыми, т. е. напряжение на конденсаторе не уменьшится до нуля.
По мере понижения напряжения разрядный ток уменьшается, и перенос зарядов с одной обкладки на другую замедляется.
Продолжительность процесса разряда конденсатора зависит от сопротивления цепи и емкости конденсатора. Увеличение сопротивления и
емкости увеличивает длительность разряда.
Примечание.
С повышением сопротивления разрядный ток уменьшается, замедляя перенос зарядов с одной обкладки на другую; с возрастанием
емкости конденсатора увеличивается заряд на обкладках.
При неизменном напряжении ток через конденсатор не проходит,
конденсатор не пропускает постоянный ток, так как между его обкладками помещен диэлектрик. При заряде конденсатор накапливает электрическую энергию, потребляя ее от источника. Накопленная энергия
сохраняется некоторое время.
Чем больше емкость конденсатора и напряжение между его обкладками, тем больше энергия, накопленная им.
После заряда в конденсаторе определенное время сохраняется накопленная энергия, и напряжение на нем не меняется. При длительном
Рис. 1.14. Неполярные
конденсаторы
Рис. 1.15. Электролитические
конденсаторы (полярные)
32
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
хранении конденсатор полностью разряжается. Это явление называется саморазрядом конденсатора.
Оно объясняется тем, что любой диэлектрик не идеальный изолятор и содержит небольшое количество свободных электронов.
Поэтому под действием разности потенциалов заряды переносятся
с одной обкладки на другую, т. е. появляется тoк утечки. При большом токе утечки конденсатор считается неисправным. Конденсаторы
бывают полярные (рис. 1.15) и неполярные (рис. 1.14).
Соединение конденсаторов
Соединение конденсаторов в цепи бывает параллельным (рис. 1.16)
и последовательным (рис. 1.17).
При параллельном соединении емкость
их равна сумме емкостей, так как паралC1 C2 C3
лельное соединение увеличивает общую
площадь обкладок:
Рис. 1.16. Параллельное
соединение
С = С1 + С2 + С3.
При последовательном соединении конденсаторов уменьшается общая емкость
системы, которая будет меньше емкости
Рис. 1.17. Последовательное
соединение
любого из последовательно включенных
конденсаторов, так как последовательное
включение подобно увеличению толщины диэлектрика, т. е. расстоянию между обкладками конденсатора.
C1
C2
C3
1/С = 1/С1 + 1/С2 + 1/С3.
1.4. Ваш первый шаг в электронику
Закон Кулона
Мы уже знаем, что источник электроэнергии обладает разностью
потенциалов, заряженные частицы которых, стремятся друг к другу.
Существуют материалы, которые способствуют движению частиц, а
также есть такие, которые ограничивают их движение.
ПЕРВЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: КИРПИЧИКИ, из которых состоит электротехника
33
Первые — это проводники, которыми является большинство
металлов, вода, кислоты, щелочи и прочие. Вторые — диэлектрики:
дерево, воздух, пластмассы и т. д.
Из хороших диэлектриков: фарфора, стекла, текстолита, резины и
т. д. изготовляют изоляторы (табл. 1.2).
Электрические свойства диэлектриков
Изолирующие материалы
(диэлектрики)
Воздух
Таблица 1.2
Диэлектрическая
проницаемость ε
Электрическая прочность,
В/см
1
30000
Мрамор
8,3
20000—30000
Парафин
2,0—2,2
150000—500000
Резина
3,5
100000—150000
Слюда
6,0—7,5
1200000—2000000
Стекло
5,5—10,0
100000—400000
Фарфор
3,0—7,5
60000—100000
Эбонит
2,0—3,5
80000—100000
Кабельная бумага
2,3—3,5
60000—90000
Трансформаторное масло
2,0—2,5
50000—180000
В качестве проводника электроэнергии используется медь, алюминий, бронза, латунь, серебро, золото и их сплавы.
Тем не менее, нужно отметить, что деление тел на проводники и
диэлектрики весьма условно. Все вещества в большей или меньшей
степени проводят электричество.
Для продолжительного существования электрического тока в проводнике необходимо поддерживать электрическое поле. Для этих
целей используются источники электротока.
Определение.
Электрическим полем называется материальная среда, в которой обнаруживается силовое действие на зараженные частицы или
тела.
Условно электрическое поле изображают в виде электрических
силовых линий, направление которых совпадает с направлением сил,
действующих в нем. В зависимости от интенсивности поля силовые
линии электрического поля изображают расположенными гуще или
реже (рис. 1.18). Среду принято характеризовать особой величиной,
называемой диэлектрической проницаемостью (ε).
34
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
S
N
Рис. 1.18. Электрическое поле
Сила взаимодействия двух точечных
электрических зарядов определяется
законом Кулона и направлена по прямой,
соединяющей эти заряды (одноименные
заряды отталкиваются, разноименные
притягиваются).
Закон Кулона гласит:
Сила взаимодействия двух точечных электрических зарядов прямо
пропорциональна произведению количества электричества в этих
зарядах, обратно пропорциональна расстоянию между ними и зависит от среды, в которой находятся заряды.
Электрическое поле оказывает силовое действие на внесенное в
него электрически заряженное тело. Следовательно, электрическое
поле может совершить работу, т. е. оно обладает энергией.
Каждая точка электрического поля может быть характеризована
напряженностью поля Е или потенциалом Ф.
Напряженность электрического поля Е (В/м) определяется отношением силы F, с которой поле действует на точечный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда, т. е. B = F/Q.
Определение.
Точечным зарядом называется заряженное тело, линейные размер
которого ничтожно малы и заряд, которого в результате этого
практически не искажает поля.
При Q, равном единице, Е численно равно 1, следовательно, напряженность электрического поля численно равно силе поля, действующей на единичный заряд.
Для преодоления сил электрического поля при внесении в него электрического заряда необходимо затрачивать определенную работу.
Электрический ток и внутреннее сопротивление
Определение.
Запас энергии (потенциальная энергия) единицы количества электричества, находящейся в данной точке электрического поля,
называется потенциалом.
ПЕРВЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: КИРПИЧИКИ, из которых состоит электротехника
Единицей измерения потенциала является
вольт (В) или (V). Потенциал Земли принято
считать равным нулю, и если проводник соединен с землей, то его потенциал также равен
нулю.
Самый простой случай возникновения электрического тока, это когда один конец провода
соединен с наэлектризованным телом, а другой — с землей. Если мы возьмем отрезок проводника (рис. 1.20) и соединим им две полярности источника, то мы получаем движение заряженных частиц по проводнику (рис. 1.21) от (+)
к (–) (рис. 1.19). Это движение, есть электрический ток.
Электрический ток определяет количество
электричества, проходящего через поперечное
сечение проводника в единицу времени. Если в
проводнике протекает ток 1 ампер (рис. 1.21), то
через поперечное сечение этого проводника в течение 1 секунды протекает 1 кулон электричества.
Любое тело обладает свойством сопротивляться движению заряженных частиц (электротоку). Это свойство зависит от вещества, из
которого состоит тело, и называется сопротивлением.
У проводников оно мало, у диэлектриков —
велико. Источник электроэнергии тоже имеет
свое сопротивление, называется оно внутренним сопротивлением источника.
Это свойство проводников широко используется в электрических цепях. Рассмотрим простую схему работы источника электротока со
своим внутренним сопротивлением.
При разомкнутой цепи источника движение
отсутствует (рис. 1.22). При замыкании полюсов течет ток по замкнутой цепи (рис. 1.23) по
проводнику, у которого имеется свое сопротивление и по собственному внутреннему сопротивлению.
35
Рис. 1.19. Образное
представление движения
тока
Рис. 1.20. Ток
отсутствует
Рис. 1.21. Ток
протекает
+
–
Рис. 1.22. Цепь
разомкнута
+
–
Рис. 1.23. Цепь
замкнута
36
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
Источник имеет определенное количество электроэнергии. Какой
будет величина тока, протекающего по цепи?
Она будет зависеть от разницы потенциалов (мы помним: чем
больше разница, тем больше притяжение) и от сопротивления проводника и внутреннего сопротивления источника.
Примечание.
Как правило, сопротивление источника очень мало, и при изучении
им можно пренебречь.
Зависимость такая: электрический ток будет равен тому, что мы
получим, когда поделим разность потенциалов участка (величина
напряжения) на сопротивляемость этого участка (сопротивление).
Обозначаем: I — электрический ток; U — напряжение; R — сопротивление.
I = U/R или U = IR — это есть знаменитый закон Ома.
Взаимосвязь тока, напряжения и сопротивления можно назвать
основным законом электротехники, он применим во всем, что связано
с электричеством.
На этом законе построено и работает все — электрические сети, все
возможное электрооборудование, электрические механизмы, электроника, радиотехника и т. д.
Знание и умение объяснить и применить закон Ома — это первый большой шаг в изучении электричества, до конца непознанной
науки.
Действие электрического тока в примерах рисунков: рис. 1.24 —
рис. 1.29.
Работа тока только через проводник приводит к короткому замыканию так, как сопротивление проводника очень мало (рис. 1.30,
рис. 1.31).
В данном случае разрушиться может все, что находится в схеме
(источник, проводник, выключатель), разрушение током будет продолжаться до разрыва в самом слабом месте цепи. У нас условно показаны разрывы в нескольких местах (рис. 1.32).
Это пример с источником большой мощности, обыкновенная батарейка просто потеряет свой заряд. Если уменьшать сопротивление в
цепи, то сопротивление всей цепи уменьшится, а ток в цепи увеличится.
ПЕРВЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: КИРПИЧИКИ, из которых состоит электротехника
37
+
–
+
Рис. 1.24. Электрическая
цепь с сопротивлением
разомкнута
+
Рис. 1.25. Электрическая
цепь с сопротивлением
замкнута
Рис. 1.26. Графическое
изображение схемы
с сопротивлением
+
–
+
Рис. 1.27. Электрическая
цепь с электролампой
разомкнута
+
Рис. 1.28. Электрическая
цепь с электролампой
замкнута
Рис. 1.29. Графическое
изображение схемы
с электролампой
проводник им еет м алое сопротивление в
данном случае получим короткое зам ы кание
+
источник
проводник
Рис. 1.30. Схема короткого
замыкания (К.З.)
вы клю чатель
Рис. 1.31. Образное представление
разрушительного действия тока К.З.
С увеличением тока падение напряжения внутри источника энергии возрастает, так как внутреннее сопротивление источника остается
неизменным.
Следовательно, с уменьшением сопротивления внешней цепи
напряжение на источнике тоже уменьшается.
При соединении источника энергии с проводником, сопротивление
которого равно нулю, ток в цепи I = E/R0. Это наибольший ток, который может быть получен в цепи источника.
I — сила тока; E — напряжение; R0 — внутреннее сопротивление
источника.
Для источников энергии с малым внутренним сопротивлением,
например для электрических генераторов и кислотных аккумулято-
38
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
ров, короткое замыкание опасно, оно может вывести из строя эти
источники.
Короткое замыкание может возникнуть, из-за нарушения изоляции проводов, соединяющих приемник с источником энергии.
Металлические линейные провода при взаимном соприкосновении
образуют малое сопротивление, которое по сравнению с сопротивлением приемника может быть принято равным нулю.
Для защиты аппаратуры от токов короткого замыкания применяют
предохранители.
1.5. Вопросы для тестирования
Вопрос №1.
Для изготовления спиралей электрических плиток используют
проводники с большим удельным сопротивлением. Какой проводник
пригоден для этого?
a) Медный; б) алюминиевый; в) никелиновый; г) стальной.
Вопрос № 2.
Из каких веществ изготавливают проводники, применяемые на
практике?
a) Эбонит; б) медь; в) константан; г) нихром.
Вопрос №3.
Удельное сопротивление константана 0,5 Ом×мм2/м. Это значит,
что константановый проводник длиной ...
a) ... 0,5 м и площадью поперечного сечения 1 мм имеет сопротивление 1 Ом; б) ... 1 м и площадью поперечного сечения 0,5 мм имеет
сопротивление 1 Ом; в) ... 2 м и площадью поперечного сечения 1 мм
имеет сопротивление 0,5 Ом; г) ... 1,5 м и площадью поперечного сечения 0,5 мм имеет сопротивление 0,5 Ом.
Вопрос №4.
Длина одного провода 20 см, другого — 1,6 м. Площадь сечения
и материал проводов одинаковы. У какого провода сопротивление
больше и во сколько раз?
a) Второго; в 8 раз; б) второго; в 4 раза; в) первого; в 8 раз; г) первого;
в 10 раз.
ПЕРВЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: КИРПИЧИКИ, из которых состоит электротехника
39
Вопрос №5.
Проволоки имеют равные размеры. Какая их них имеет наименьшее сопротивление?
a) Медная; б) железная; в) никелиновая; г) стальная.
Вопрос №6.
Какие вещества используют в качестве изоляторов?
a) Эбонит; б) медь; в) серебро; г) золото.
Вопрос №7.
Удельное сопротивление никелина 0,4 Ом×мм2/м. Это значит, что
никелиновый проводник длиной ...
a) ... 0,4 м и площадью поперечного сечения 1 мм2 имеет сопротивление 1 Ом; б) ... 2 м и площадью поперечного сечения 0,4 мм2 имеет
сопротивление 1 Ом; в) ... 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм2
имеет сопротивление 0,4 Ом; г) ... 1 м и площадью поперечного сечения
0,4 мм2 имеет сопротивление 0,4 Ом.
Вопрос №8.
Проволоку разрезали пополам и сложили вдвое. Изменится ли ее
сопротивление?
a) Не изменится; б) уменьшится в 4 раза; в) увеличится в 4 раза;
г) уменьшится в 2 раза.
Вопрос №9.
Какого сечения нужно взять константановую проволоку длиной
8 м, чтобы она имела сопротивление 5 Ом? Удельное сопротивление
константана 0,5 Ом×мм2/м.
a) 1 мм2; б) 0,5 мм2; в) 0,8 мм2; г) 0,25 мм2.
Вопрос №10.
Какой длины нужно взять нихромовый проводник площадью поперечного сечения 0,2 мм2 для изготовления спирали нагревательного
элемента сопротивлением 22 Ом? Удельное сопротивление нихрома
1,1 Ом×мм2/м.
a) 1 м; б) 2 м; в) 3 м; г) 4 м.
40
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
Вопрос №11.
Электрическим током называется...
a) ... тепловое движение молекул вещества; б) ... хаотичное движение электронов; в) ... упорядоченное движение заряженных частиц;
г) ... беспорядочное движение ионов.
Вопрос №12.
За направление тока принимают...
a) ... движение нейтронов; б) ... движение электронов; в) ... движение положительно заряженных частиц; г) ... движение элементарных
частиц.
Вопрос №13. Какая формула выражает закон Ома для участка
цепи?
a) I = q/t; б) A = IUt; в) P = IU; г) I = U/R.
Вопрос №14.
Сопротивление проводника зависит от...
a) ...силы тока в проводнике; б) ... от материала, из которого изготовлен проводник, от его длины и площади поперечного сечения; в) ... только
от его длины; г) ... только от площади поперечного сечения.
Вопрос №15.
Сопротивление двух последовательно соединенных проводников
равно...
a) ... сопротивлению одного из них; б) ... сумме их сопротивлений;
в) ... разности их сопротивлений; г) ... произведению сопротивлений.
Вопрос №16.
Напряжение на участке можно измерить...
a) ... вольтметром; б) ... амперметром; в) ... омметром; г) ... ореометром.
Вопрос №17.
Силу тока на участке цепи измеряют...
a) ... омметром; б) ... манометром; в) ... вольтметром; г) ... амперметром.
ПЕРВЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: КИРПИЧИКИ, из которых состоит электротехника
41
Вопрос №18.
Каково напряжение на участке цепи постоянного тока с электрическим сопротивлением 2 Ом и при силе тока 4 А?
a) 2 В; б) 8 В; в) 1 В; г) 4 В.
Вопрос №19.
Какова сила тока в цепи, если на участке с электрическим сопротивлением 4 Ом напряжение равно 2 В?
a) 2 А; б) 0,5 А; в) 1 А; г) 0,25 А.
Вопрос №20.
Какая из формул выражает закон Ома для полной цепи?
a) Q = IUt; б) I = U/R; в) P = IU; г) I = E/(R + r).
В ТО Р О Й Ш А Г
Познакомимся с ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ
Сделав ВТОРОЙ шаг, вы познакомитесь с постоянным
током. Рассмотрите зависимости сопротивлений, последовательное, параллельное и смешанное соединение, зависимости тока, работу и мощность. Изучите расчет цепей
и их режимы. Познакомитесь с химическими источниками.
И в завершении — ответите на вопросы для самотестирования.
2.1. Зависимости сопротивлений
Зависимость сопротивления от положения движка
Мы рассматривали зависимость сопротивления от размеров и
свойств проводника. Теперь проверим, как же влияют друг на друга
составляющие закона Ома.
Переменные резисторы (потенциометры) могут иметь три вывода
(рис. 2.1), один из которых связан с подвижным контактом, скользящим по поверхности проводящего слоя. Сопротивление между любым
крайним выводом переменного резистора и подвижным контактом
зависит от положения движка.
Выяснили, что при любом положении движка резистора соблюдается равенство: напряжение участка 1-3 равно сумме напряжений
участка 1-2 и участка 2-3 (рис. 2.3 — рис. 2.6).
A
1кО м
3
V
+
–
V1
1
V2
2
12 B
V1
1
1кО м
V
3
+
–
2
12 B
B
Рис. 2.1. Переменный резистор
с подвижным контактом
(потенциометр)
Рис. 2.2. Регулировка
напряжения
потенциометром
Рис. 2.3. Напряжения
на участках
потенциометра
ВТОРОЙ ШАГ. Познакомимся с ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ
20 В
20 В
11.94
DCV
500
200
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
2000
m
V
2000
k
200
W k
E
C
E
OFF
E
NPN PNP
500
200
DCA
2000
k
200
W k
E
E
E
E
B
20m
200m
10 DCA
B
C
2
200 m
2000 m
C
20k
2000 200
OFF
NPN PNP
FUKE
DT–830B
3
DCV
500
200
1
10A MAX
V W mA
500VAC
500VDC
200mAmax
COM
20 В
200 m
2000 m
V2
2000
k
200
W k
E
E
B
E
E
500
200
OFF
FUKE
DT–830B
DCA
2000
k
200
W k
20m
200m
V1
E
E
E
E
B
C
OFF
2
500VAC
500VDC
200mAmax
200m
3
1
FUKE
E
E
V W mA
200 m
2000 m
V2
E
OFF
E
NPN PNP
V W mA
ON
10A
V W mA
500VAC
500VDC
200mAmax
DT–830B
COM
COM
Рис. 2.5. Движок в направлении 3
Рис. 2.4. Движок потенциометра
на середине
Выяснили, что чем больше
сопротивление участка, тем
больше напряжение на нем.
Следовательно, потенциометром
можно регулировать напряжение
(рис. 2.2).
hFE
10A MAX
FUKE
500VAC
500VDC
200mAmax
20m
200m
10 DCA
C
C
COM
DCA
20k
B
2000 200
B
500VAC
500VDC
200mAmax
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
20
2000
m
200
m
2000
k
200
W k
10A MAX
DT–830B
500
200
hFE
10A MAX
20 В
11.9
DCV
ON
10A
hFE
ON
10A
20m
10 DCA
20k
2000 200
B
C
NPN PNP
NPN PNP
V W mA
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
200 m
2000 m
2000
m
200
m
10 DCA
20k
B
2000 200
C
C
DCV
hFE
ON
10A
10A MAX
20 В
20
DCA
20
2000
m
200
m
hFE
ON
10A
OFF
E
COM
0.04
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
C
E
NPN PNP
DT–830B
6.00
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
20k
2000 200
B
C
FUKE
COM
V1
0
500VAC
500VDC
200mAmax
20m
200m
10 DCA
E
B
+12
V W mA
20 В
20
2000
m
200
m
E
hFE
ON
10A
DT–830B
5.94
DCV
2000
k
200
W k
10A MAX
FUKE
DCA
V
200
m
200m
20k
2000 200
B
C
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
200 m
2000 m
2000
m
20m
10 DCA
E
B
500
200
20
200 m
2000 m
200
m
0
11.94
DCV
DCA
20
+12
43
20 В
11.94
DCV
500
200
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
DCA
20
200 m
2000 m
2000
m
V
200
m
2000
k
200
W k
E
E
E
E
B
+12
0
20k
2000 200
B
C
C
OFF
NPN PNP
V W mA
500VAC
500VDC
200mAmax
COM
11.9
500
200
20 В
DCA
20
V1
2000
k
200
W k
E
E
E
E
B
B
C
2
200 m
2000 m
2000
m
200
m
C
20m
200m
10 DCA
20k
2000 200
OFF
NPN PNP
FUKE
DT–830B
3
DCV
500
200
1
V W mA
500VAC
500VDC
200mAmax
COM
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
DCA
20
200 m
2000 m
2000
m
V2
200
m
hFE
ON
10A
10A MAX
20 В
0.04
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
hFE
ON
10A
10A MAX
FUKE
DT–830B
DCV
20m
200m
10 DCA
2000
k
200
W k
E
E
B
B
C
C
E
E
20m
200m
10 DCA
20k
2000 200
OFF
NPN PNP
FUKE
DT–830B
hFE
ON
10A
10A MAX
V W mA
500VAC
500VDC
200mAmax
COM
Рис. 2.6. Движок в направлении 1
Зависимость сопротивления проводника от температуры
Применяя закон Ома, установим зависимость сопротивления проводника от температуры. В данной работе можно лишь убедиться, что с
увеличением температуры сопротивление проводника увеличивается.
Для выполнения работы понадобиться миллиамперметр и реостат
с большим сопротивлением (рис. 2.7).
1. При малом свечении лампы (рис. 2.8):
+
5B
6,3 B
V
I = 0,10 А = 100 мА; U = 1,15 В;
–
A
Найдем сопротивление:
R = 1,15/0,1 = 11,5 Ом;
Рис. 2.7. Схема
определения зависимости
2. В полнакала (рис. 2.9):
сопротивления проводника
I = 0,19 А = 190 мА; U = 3,16 В;
оттемпературы
44
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
0.10
DCV
500
200
DCA
20
200 m
2000 m
2000
m
А
200
m
2000
k
200
W k
E
C
E
500
200
OFF
E
NPN PNP
20m
А
200
m
E
0
ON
10A
V W mA
C
E
20m
200m
20k
2000 200
B
C
OFF
E
NPN PNP
hFE
V W mA
500VAC
500VDC
200mAmax
DT–830B
COM
COM
20 В
1.15
DCV
500
200
E
E
E
E
hFE
E
E
B
C
C
OFF
FUKE
500VAC
500VDC
200mAmax
DT–830B
COM
20m
200m
10 DCA
20k
2000 200
NPN PNP
V W mA
FUKE
E
E
B
ON
10A
10A MAX
DT–830B
DCA
200 m
2000 m
V
200
m
2000
k
200
W k
10 DCA
OFF
NPN PNP
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
20
2000
m
20m
200m
20k
2000 200
C
C
500
200
200 m
2000 m
V
B
B
DCV
DCA
20
2000
m
200
m
2000
k
200
W k
20 В
3.16
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
0
ON
10A
10A MAX
FUKE
500VAC
500VDC
200mAmax
10 А
10 DCA
E
B
10A MAX
FUKE
DCA
200 m
2000 m
2000
k
200
W k
hFE
DT–830B
+5
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
20
2000
m
200m
20k
2000 200
B
C
DCV
10 А
10 DCA
E
B
0.19
+5
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
hFE
ON
10A
10A MAX
V W mA
500VAC
500VDC
200mAmax
COM
Рис. 2.8. Малое свечение лампы
Рис. 2.9. Свечение лампы в полнакала
Найдем сопротивление:
R = 3,16/0,19 = 16,6 Ом;
10 A
3. При горячем состоянии, ярком
А
свечении (рис. 2.10):
0
I = 0,24 А = 240 мА; U = 4,93 В;
Найдем сопротивление:
20 В
4.93
R = 4,93/0,24 = 20,5 Ом;
Мы уже знаем, что при изменеV
нии напряжения в цепи изменяется
ток, а сопротивление — нет. В этом
случае при изменении напряжения
меняется ток, который влияет на
Рис. 2.10. Яркое свечение лампы
состояние нити накала. Изменяется
яркость свечения и температура.
Температура, в свою очередь, влияет на сопротивление, что мы и
видим при расчетах. Составим таблицу (табл. 2.1):
0.24
DCV
500
200
+5
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
DCA
20
200 m
2000 m
2000
m
20m
200
m
200m
2000
k
200
W k
E
E
E
E
B
10 DCA
20k
2000 200
B
C
C
OFF
NPN PNP
hFE
ON
10A
10A MAX
V W mA
FUKE
500VAC
500VDC
200mAmax
DT–830B
COM
DCV
500
200
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
DCA
20
200 m
2000 m
2000
m
20m
200
m
200m
2000
k
200
W k
E
E
E
E
B
B
C
C
10 DCA
20k
2000 200
OFF
NPN PNP
FUKE
DT–830B
hFE
ON
10A
10A MAX
V W mA
500VAC
500VDC
200mAmax
COM
Результаты измерений
Физическая
величина
Таблица 2.1
Малый накал
Полнакала
Большой накал
Ед. измерения
Ток
100
190
240
мА
Сопротивление
11,5
16,6
20,5
Ом
На основании данных табл. 2.1 построим график (рис. 2.11).
Проделанный опыт показывает зависимость сопротивления от
температуры.
ВТОРОЙ ШАГ. Познакомимся с ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ
Примечание.
Опыт основан на приблизительных результатах и расчетах для наглядного показа
этой зависимости, без определения температуры нити
накала.
Узнать температуру нити накала
можно по формуле зависимости R от t:
Rt = R0 (1 + αt),
45
R
20,5
16,6
15
11,5
10
5
0
100
м ал.
накал
190
пол
накала
240
бол.
накала
I
T
Рис. 2.11. График зависимости
сопротивления проводника
от температуры
где Rt — сопротивление при температуре t;
R0 — сопротивление при 0°С;
α — температурный коэффициент сопротивления (для вольфрама:
α = 0,0046 град-1).
При R0 = 2,2 Ом, в нашем случае, в точке малого накала температура равна 2021°С.
2.2. Последовательное соединение
Последовательное соединение резисторов
Электрическая цепь может содержать несколько приемников (нагрузок) энергии, имеющих различные сопротивления. Предположим, что
внешняя цепь аккумулятора состоит из трех нагрузок с сопротивлениями R1; R2; R3.
Определение.
Такое соединение нагрузок, при котором каждая из них поочередно включена в одну замкнутую электрическую цепь, называется последовательным (рис. 2.12).
+
R1
R2
I
R3
Рис. 2.12. Схема
последовательного
соединения
Ток при этом во всех нагрузках одинаков, а сопротивление внешней цепи (сопротивление аккумулятора не считается) равно сумме их
сопротивлений.
46
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
Зная закон Ома, представляем:
I = E/(R0 + R1 + R2 + R3);
где R0 — внутреннее сопротивление источника.
Напряжение на последовательно соединенных нагрузках равно
произведению силы тока на сопротивление нагрузки:
U1 = IR1; U2 = IR2; U3 = IR3.
Значит, сумма напряжений на нагрузках равна напряжению на
источнике. По всей цепи протекает одинаковый ток, значит, напряжения пропорциональны их сопротивлениям:
U1:U2:U3 = R1:R2:R3.
При постоянном напряжении ток зависит от сопротивления цепи.
Поэтому изменение сопротивления одной нагрузки ведет к изменению общего сопротивления всей цепи, тока и напряжения на всех
нагрузках. Слегка запутанные представления лабораторных работ,
великолепно влияют на усвоение материала и на умение сборки и чтения электрических схем.
Примечание.
В практических работах можно использовать любые, имеющиеся в наличии, компоненты, близкие по значениям и параметрам.
Соответственно, показания и результаты будут иными, но суть
проделанной работы усвоится лучше.
Рассмотрим работу цепи в трех положениях потенциометра R3:
1. R31 = 22 Ом (рис. 2.13, б);
2. R32 = (среднее положение регулятора, рис. 2.13, в);
3. R33 = 0 (рис. 2.13, г).
Схема собрана с помощью клеммной колодки, соединения между
резисторами посредством перемычек черного цвета.
1. На рис. 2.13, б видим показания при R3 = 22 Ом; I = 88,6 мА.
2. На рис. 2.13, в установили положение ползунка в произвольное
положение. Не лишним будет рассчитать сопротивление потенциометра в этом положении.
ВТОРОЙ ШАГ. Познакомимся с ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ
20 В
47
+
0.27
DCV
500
200
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
DCA
20
200 m
2000 m
2000
m
V2
200
m
2000
k
200
W k
E
E
E
E
C
C
20m
OFF
NPN PNP
R1
R2
+5
hFE
V1
V2
мА
0
ON
10A
10A MAX
V W mA
FUKE
R3
200m
10 DCA
20k
2000 200
B
B
I
500VAC
500VDC
200mAmax
DT–830B
COM
200 м А
88.60
DCV
500
200
E
E
E
OFF
E
NPN PNP
500
200
R1
hFE
ON
10A
DCA
200 m
2000 m
V1
200
m
2000
k
200
W k
R3
E
E
C
C
E
OFF
E
NPN PNP
V W mA
U=5B
R1 = 30 О м
R2 = 3 О м
R3 = X О м
I = 110,8 м A
U=5B
R1= 30 О м
R2 = 3 О м
R3 = 0 О м
I = 143,1 м A
hFE
ON
10A
V W mA
500VAC
500VDC
200mAmax
DT–830B
COM
20 В
I = 88,6 м A
200m
10A MAX
FUKE
500VAC
500VDC
200mAmax
20m
U=5B
R1 = 30 О м
R2 = 3 О м
R3 = 22 О м
10 DCA
20k
B
2000 200
B
10A MAX
FUKE
DT–830B
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
20
2000
m
20m
200m
10 DCA
C
C
R2
200 m
2000 m
A
20k
B
2000 200
B
DCV
DCA
20
2000
m
200
m
2000
k
200
W k
2.76
20 В
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
COM
0.33
DCV
500
200
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
DCA
20
200 m
2000 m
2000
m
V2
200
m
2000
k
200
W k
E
E
E
E
B
+5
10 DCA
20k
2000 200
B
C
20m
200m
C
OFF
NPN PNP
hFE
0
ON
10A
10A MAX
V W mA
FUKE
500VAC
500VDC
200mAmax
DT–830B
COM
200 м А
110.8
DCV
500
200
E
E
C
OFF
E
NPN PNP
500
200
R1
hFE
ON
10A
DCA
200 m
2000 m
V1
200
m
2000
k
200
W k
R3
E
E
C
C
E
OFF
E
NPN PNP
V W mA
ON
10A
V W mA
500VAC
500VDC
200mAmax
DT–830B
COM
20 В
hFE
10A MAX
FUKE
500VAC
500VDC
200mAmax
20m
200m
10 DCA
20k
B
2000 200
B
10A MAX
FUKE
DT–830B
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
20
2000
m
20m
200m
10 DCA
C
E
R2
200 m
2000 m
A
20k
B
2000 200
B
DCV
DCA
20
2000
m
200
m
2000
k
200
W k
3.46
20 В
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
COM
0.45
DCV
500
200
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
DCA
20
200 m
2000 m
2000
m
V2
200
m
2000
k
200
W k
E
E
E
E
C
C
+5
10 DCA
20k
2000 200
B
B
20m
200m
OFF
NPN PNP
hFE
0
ON
10A
10A MAX
V W mA
FUKE
500VAC
500VDC
200mAmax
DT–830B
COM
200 м А
143.1
DCV
500
200
E
B
C
C
E
R2
200 m
2000 m
E
B
DCV
DCA
20
2000
m
A
200
m
2000
k
200
W k
E
OFF
NPN PNP
FUKE
DT–830B
500
200
R1
hFE
ON
10A
10A MAX
V W mA
500VAC
500VDC
200mAmax
COM
DCA
200 m
2000 m
V1
200
m
R3
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
20
2000
m
20m
200m
10 DCA
20k
2000 200
4.48
20 В
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
2000
k
200
W k
E
E
B
B
C
C
E
E
20m
200m
10 DCA
20k
2000 200
OFF
NPN PNP
FUKE
DT–830B
hFE
ON
10A
10A MAX
V W mA
500VAC
500VDC
200mAmax
COM
Рис. 2.13. Измерения в цепи с последовательно соединенными резисторами:
а — исходное состояние элементов схемы;
б — состояние схемы при R31 = 22 Ом;
в — состояние схемы при положении ползунка R31 в произвольном положении;
г — R3 = 0 Ом
48
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
Примечание.
Учитывайте, что показания приборов не точны, и мы не берем во
внимание сопротивления проводов, так что все расчеты приблизительны, и соответственно, результаты мы получим приблизительные, исключительно для общего понимания и наглядности.
Смотрим рис. 2.13, в: R3 = X; I = 110,8 мА; U3 = Y.
Находим падение напряжения на R3:
U3 = 5 – (U1 + U2) = 5 – (3,46 + 0,33) = 1,21 В;
R3 = U3/I = 1,21/0,1108 А = 10,9 Ом; I = 110,8 мА
3. На рис. 2.13, г установили потенциометр — сопротивление до 0,
в цепи осталось два сопротивления и их падения напряжения в
сумме должны быть равны напряжению источника:
Uобщ = U1 + U2 = 4,48 + 0,45 = 4,93 В; I = 143,1 мА.
Хорошо видны зависимости тока и падений напряжения от
величины сопротивления в цепи. Последовательное соединение
добавочных резисторов используется на практике для понижения
напряжения.
Внимание.
ЕСЛИ НЕПОНЯТНО — ДАЛЬШЕ НИ ШАГУ!
ПОВТОРИТЕ ИЛИ ОТЛОЖИТЕ ДО ЛУЧШЕГО НАСТРОЕНИЯ!
Все понятно? Отлично! Идем дальше.
2.3. Параллельное и смешанное соединение
О чем нам говорит первый закон Кирхгофа
В цепях, состоящих из последовательно соединенных источника и
приемника энергии, соотношения между током, ЭДС и сопротивлением всей цепи или, между напряжением и сопротивлением на какомлибо участке цепи определяется законом Ома. На практике в цепях
токи от какой-либо точки идут по разным путям.
ВТОРОЙ ШАГ. Познакомимся с ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ
49
Определение.
Точки, где сходятся несколько проводников, называются узлами, а
участки цепи, соединяющие два соседних узла, ветвями.
В замкнутой электрической цепи ни в одной ее точке не могут скапливаться электрические заряды так, как это вызвало бы изменение
потенциалов точек цепи.
Вывод.
Поэтому электрические заряды, притекающие к какому-либо узлу в
единицу времени, равны зарядам, утекающим от этого узла за ту
же единицу.
В узле А цепь разветвляется на четыре ветви, которые сходятся в
узел В. Обозначим токи в неразветвленной части цепи — I, а в ветвях
соответственно I1, I2, I3, I4 (рис. 2.14).
У этих токов в такой цепи будет соотношение:
I = I1 + I2 + I3 + I4.
Правило.
Сумма токов, подходящих к
узловой точке электрической
цепи, равна сумме токов, уходящих от этого узла.
A
I
R1
I1
R2
I2
R3
I3
R4
I4
I2
I1
B
0
I
I3
I4
Рис. 2.14. Разветвленная цепь
Примечание.
Ничто не исчезает бесследно и не появляется из ничего.
При параллельном соединении резисторов ток проходит по четырем
направлениям, что уменьшает общее сопротивление или увеличивает
общую проводимость цепи, которая равна сумме проводимостей ветвей.
Обозначим силу тока в неразветвленной ветви буквой I. Силу тока в
отдельных ветвях соответственно I1, I2, I3 и I4. Напряжение между точками A и B — U. Общее сопротивление между этими точками — R.
По закону Ома напишем:
I = U/R; I1 = U/R1; I2 = U/R2; I3 = U/R3; I4 = U/R4;
Согласно первому закону Кирхгофа:
I = I1 + I2 + I3 + I4 или U/R = U/R1 + U/R2 + U/R3 + U/R4.
50
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
Сократив обе части полученного выражения на U получим:
1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + 1/R4.
Что и требовалось доказать. Соотношение верно для любого числа
параллельно соединенных резисторов.
В случае если в цепи содержится два параллельно соединенных
резистора R1 и R2, то можно написать равенство:
1/R = 1/R1 + 1/R2.
Из этого равенства найдем сопротивление R, которым можно заменить два параллельно соединенных резистора:
R = R1R2/(R1 + R2).
Полученное выражение имеет большое практическое применение.
Параллельное соединение резисторов
Если параллельно соединены n одинаковых резисторов R, то общее
сопротивление такой цепи будет в n раз меньше сопротивления одного
резистора, Roбщ = R/n.
Напишем следующее: I1R1 = U; I2R2 = U; I3R3 = U; I4R4 = U.
Все части равны, значит: I1R1 = I2R2 = I3R3 = I4R4.
Получим: I1/I2 = R2/R1; I2/I3 = R3/R2 и т. д.
Вывод.
Эти соотношения показывают, что в цепях с параллельно включенными сопротивлениями токи распределяются обратно пропорционально этим сопротивлениям. Значит, чем больше величина параллельно включенного сопротивления, тем меньше ток в
этом сопротивлении, и наоборот.
Если напряжение между узлами не изменяется, то токи в резисторах, включенных между этими узлами, не зависят друг от друга.
Выключение одного или нескольких резисторов из цепи не отражается на работе остальных, оставшихся включенными. Поэтому электролампы, электродвигатели и другие включают параллельно.
Вывод.
Чем больше величина включенного, параллельно, сопротивления,
тем меньше ток в этом сопротивлении, и наоборот.
ВТОРОЙ ШАГ. Познакомимся с ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ
Рассмотрим работу цепи
(рис. 2.17) в двух положениях
потенциометра:
1. R3 = 22 Ом (рис. 2.15);
при этом I1 = 0,18 А; I3 = 0,18 А;
I2 = 0,1 А;
2. R3 = 0 (рис. 2.16); при
этом I1 = 0,25 А; I3 = 0,25 А;
I2 = 0,16 А.
Ток, входящий в схему, и
выходящий — равны.
Ток, протекающий по
одной параллельной ветви,
меньше чем входящий или
выходящий, что говорит о
протекающем токе во второй
параллельной ветви (при первом положении R3):
I4 = I1 – I2 = 0,18 – 0,1 =
= 0,08 А.
0.18
DCV
500
200
I4 = 0,25 – 0,16 = 0,09 А.
DCA
200 m
2000 m
2000
m
A3
200
m
2000
k
200
W k
20k
2000 200
B
C
C
E
R1
56 О м
20m
200m
10 DCA
E
E
B
10 А
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
20
OFF
E
NPN PNP
hFE
+5 0
ON
10A
10A MAX
V W mA
FUKE
500VAC
500VDC
200mAmax
DT–830B
COM
0.10
DCV
500
200
A2
2000
k
200
W k
E
E
E
E
20m
200m
10 DCA
20k
2000 200
B
C
C
DCV
R2
30 О м
DCA
200 m
2000 m
200
m
B
0.18
10 А
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
20
2000
m
OFF
NPN PNP
R3
22 О м
hFE
ON
10A
10A MAX
V W mA
FUKE
10 А
500
200
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
DCA
20
200 m
2000 m
2000
m
A1
200
m
2000
k
200
W k
E
E
E
E
C
C
20m
200m
10 DCA
20k
2000 200
B
B
OFF
NPN PNP
hFE
ON
10A
10A MAX
V W mA
FUKE
500VAC
500VDC
200mAmax
DT–830B
500VAC
500VDC
200mAmax
DT–830B
COM
COM
Рис. 2.15. Положение потенциометра
R3 = 22 Ом
0.25
DCV
500
200
10 А
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
DCA
20
200 m
2000 m
2000
m
A3
200
m
2000
k
200
W k
E
E
B
C
C
E
R1
56 О м
20m
200m
10 DCA
20k
B
2000 200
OFF
E
NPN PNP
hFE
+5 0
ON
10A
10A MAX
V W mA
FUKE
500VAC
500VDC
200mAmax
DT–830B
COM
0.16
DCV
500
200
A2
2000
k
200
W k
E
E
E
E
DCV
R2
30 О м
DCA
200 m
2000 m
2000
m
200
m
B
C
C
0.25
10 А
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
20
B
При уменьшении сопротивления в одной из параллельных ветвей, ток в этой
ветви возрастает: 0,16>0,1.
При втором положении R3:
51
20m
200m
10 DCA
20k
2000 200
OFF
NPN PNP
FUKE
DT–830B
R3
0Ом
hFE
ON
10A
10A MAX
V W mA
10 А
500
200
DCA
200 m
2000 m
2000
m
A1
200
m
2000
k
200
W k
E
E
E
E
B
B
C
C
OFF
DT–830B
COM
20m
200m
10 DCA
20k
2000 200
NPN PNP
FUKE
500VAC
500VDC
200mAmax
1.5V(4.0mA)
9V(25mA)
ACV
500 200
20
hFE
ON
10A
10A MAX
V W mA
500VAC
500VDC
200mAmax
COM
Рис. 2.16. Положение потенциометра
R3 = 0 Ом
Е1=5 В
+
R1=56 О м
I3
мА
I2
мА
I1
мА
R2=30 О м
R3=22 О м
Рис. 2.17. Схема параллельного
соединения резисторов
Смешанное соединение сопротивлений
Определение.
Если резисторы, соединенные параллельно между собой, включены
последовательно с другими резисторами, то такое соединение их
называется смешанным (рис. 2.18).
52
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
+
А
R2
R1
В
R3
С
Рис. 2.18. Смешанное
соединение
резисторов
Для определения сопротивления нескольких
резисторов, соединенных смешанно, сначала находят сопротивление параллельно или последовательно соединенных резисторов, а затем заменяют
их одним резистором с сопротивлением, равным
найденному.
Например, для определения сопротивления
между точками A и С сначала находят сопротивление между точками B и C:
R = R2R3/(R2 + R3).
Потом складывают полученное значение сопротивления с сопротивлением R1:
R = (R2R3/(R2 + R3)) + R1
Нелинейные сопротивления
Определение.
Сопротивление, которое не зависит от проходящего по ней тока,
называется линейным. Если сопротивление зависит от проходящего по ней тока, то называется нелинейным.
Устройство нелинейного элемента предусматривает изменение своего сопротивления, в зависимости от силы проходящего по нему тока.
У линейного сопротивления вольтамперная характеристика представляет собой прямую, так как сопротивление постоянно.
Согласно закону Ома между током и напряжением существует
прямо пропорциональная зависимость.
Для нелинейного элемента вольтамперная характеристика не прямолинейна, а его сопротивление уменьшается с ростом тока (например, в электронных приборах: электронных лампах, полупроводниковых диодах и стабилитронах). Или сопротивление элемента растет с
увеличением тока (например, нагревательные приборы, лампа накаливания).
При последовательном соединении двух нелинейных сопротивлений ток в цепи является общим для обоих сопротивлений, а приложенное напряжение в любой момент равно сумме напряжений на
первом и втором нелинейном сопротивлении.
ВТОРОЙ ШАГ. Познакомимся с ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ
53
При параллельном соединении нелинейных сопротивлений ток
в неразветвленной цепи в любой момент равен сумме токов в этих
сопротивлениях, а напряжение на зажимах цепи является общим для
обоих сопротивлений.
Расчет при смешанном соединении сопротивлении производится
так же, как линейных, с заменой результатов на одно общее и т. д.
2.4. Зависимости тока
Зависимость силы тока от напряжения
+
Подключаем потенциометр к клеммам 5 вольт источника тока
нашего БП. Изменяем напряжение потенциометром. Собираем электрическую цепь по схеме, проводим измерения, меняя напряжение и
сопротивление цепи.
Случай 1. R3 = 22 Ом.
1. Подвижной контакт в верхнем полоV
R2=30 О м
жении резистора (рис. 2.19). Падение
R3=22 О м
напряжения на R1: U = 5 В.
5 В R1=4,7 кО м
/ Мэ)
частота вращения якоря, а также ЭДС и ток в его обмотке будут возрастать, что увеличит тормозной электромагнитный момент.
При нарушении равновесия моментов частота вращения якоря,
ЭДС и ток в его обмотке претерпевают изменения до восстановления
равновесия моментов, т. е. пока электромагнитный момент генератора
не станет равным вращающему моменту первичного двигателя.
Таким образом, любое изменение момента первичного двигателя,
т. е. потребляемой генератором мощности, вызывает соответствующее
изменение как электромагнитного момента генератора, так и вырабатываемой им мощности.
Также при изменениях нагрузки генератора потребуется соответствующее изменение момента первичного двигателя для поддержания
постоянства частоты вращения якоря генератора.
Ток обмотки якоря I при нагрузке генератора встречает на своем
пути сопротивление внешней нагрузки Rн, сопротивление обмотки
якоря Ro6 и сопротивление переходных контактов между щетками и
коллектором Rщ.
Обозначив через Rя внутреннее сопротивление машины, представляющее собой сумму сопротивлений обмотки якоря и щеточных контактов (Rоб + Rщ), для тока в якоре можем записать следующее выражение: I = E/(Rя + Rн).
Сопротивление Rщ непостоянно и зависит от многих факторов:
величины и направления тока, состояния коллектора, силы нажатия
щеток на коллектор, частоты вращения.
Падение напряжения в щеточных контактах остается примерно
неизменным при изменениях нагрузки (принимается равным 2 В на
264
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
пару угольных и графитных щеток). Поэтому внутреннее сопротивление машины Rя также непостоянно при изменении нагрузки генератора.
Так как IRn = U, где U — напряжение на зажимах генератора при
нагрузке, то получим следующее уравнение равновесия ЭДС для генератора: U = E – IRя.
Из уравнения равновесия ЭДС легко получить уравнение мощностей, т. е.
UI = EI – IRя или Р2 = Рэ – I2Rя,
где Р2 — полезная мощность генератора, отдаваемая потребителю
электрической энергии;
Рэ — внутренняя или электромагнитная мощность генератора,
преобразованная им в электрическую;
I2Rя = Pоб — потери мощности в обмотке якоря и щеточных контактах.
При холостом ходе генератора электромагнитная мощность равна
нулю (Рэ = 0), но для вращения якоря машины первичный двигатель
должен затратить некоторую мощность Р0, расходуемую на покрытие
потерь холостого хода.
Мощность Р0 складывается из механических потерь на трение в
подшипниках и трение о воздух вращающихся частей машины Рмex и
из потерь в стали на гистерезис и вихревые токи Рст.
В генераторах с самовозбуждением мощность Р0 включает также
мощность, затраченную на создание магнитного потока, т. е. на возбуждение машины.
При нагрузке генератора первичный двигатель затрачивает мощность
P1 = Pэ + P0.
Электромагнитный момент машины Мэ = Рэ/ω, где ω = 2πn/60 рад/с —
угловая скорость якоря.
Так как Рэ = ЕI и E = (pN/60 А) nФ, то электромагнитный момент
машины определится следующим выражением: Мэ = (pN/2πa) IФ.
Величины а, р и N постоянны для данной машины, поэтому выражение
pN/2πa = К
представляет собой некоторый постоянный для данной машины
коэффициент.
ДЕВЯТЫЙ ШАГ. Как устроены и работают МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
265
При этом электромагнитный момент равен: МЭ = КIФ, т. е. электромагнитный момент пропорционален произведению тока в якоре на
магнитный поток полюсов.
Способы возбуждения генераторов постоянного тока
Генераторы постоянного тока могут быть выполнены с магнитным
и электромагнитным возбуждением.
Для создания магнитного потока используют:
в генераторах с магнитным возбуждением — постоянные магниты;
в генераторах с электромагнитным возбуждением — электромагниты.
Постоянные магниты применяют лишь в машинах очень малых
мощностей. Таким образом, электромагнитное возбуждение является
наиболее широко используемым способом для создания магнитного
потока.
При этом способе возбуждения магнитный поток создается током,
проходящим по обмотке возбуждения.
В зависимости от способа питания обмотки возбуждения генераторы постоянного тока могут быть двух типов:
с независимым возбуждением:
с самовозбуждением.
При независимом возбуждении (рис. 9.12, а) обмотка возбуждения
включается в сеть вспомогательного источника энергии постоянного
тока. Для регулирования тока возбуждения Iв в цепи обмотки включено сопротивление Rp. При таком возбуждении ток Iв не зависит от
тока в якоре I.
Недостатком генераторов независимого возбуждения является
потребность в дополнительном источнике энергии. Поэтому генераторы независимого возбуждения находят очень ограниченное применение только в машинах высоких напряжений, у которых питание
обмотки возбуждения от цепи якоря недопустимо по конструктивным соображениям.
Генераторы с самовозбуждением в зависимости от включения
обмотки возбуждения могут быть параллельного (рис. 9.12, б), последовательного (рис. 9.12, в) и смешанного (рис. 9.12, г) возбуждения.
У генераторов параллельного возбуждения ток мал (несколько
процентов номинального тока якоря), и обмотка возбуждения имеет
большое число витков.
266
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
A
A
Iв
Rр
I
A
Iв
Iв
Rр
I
Rр
I
I
A
A
Iв
A
A
V
V
V
V
Rн
Rн
Rн
Rн
а
б
в
г
Рис. 9.12. Схемы возбуждения генераторов постоянного тока: независимого (а);
параллельного (б); последовательного (в); смешанного (г)
При последовательном возбуждении ток возбуждения равен току
якоря и обмотка возбуждения имеет малое число витков.
При смешанном возбуждении на полюсах генератора помещаются
две обмотки возбуждения — параллельная и последовательная.
Процесс самовозбуждения генераторов постоянного тока протекает одинаково при любой схеме возбуждения. Рассмотрим, например, процесс самовозбуждения в генераторах параллельного возбуждения, получивших наиболее широкое применение.
Какой-либо первичный двигатель вращает якорь генератора, магнитная цепь (ярмо и сердечники полюсов) которого имеет небольшой
остаточный магнитный поток Ф0. Этим магнитным потоком в обмотке
вращающегося якоря индуктируется ЭДС Е0, составляющая несколько
процентов номинального напряжения машины.
Под действием ЭДС Е0 в замкнутой цепи, состоящей из якоря и
обмотки возбуждения, проходит ток Iв.
Магнитодвижущая сила обмотки возбуждения ωIв (ω — число витков) направлена согласно с потоком остаточного магнетизма, увеличивая магнитный поток машины Ф, что вызывает повышение как ЭДС
в обмотке якоря Е, так и тока в обмотке возбуждения Iв. Увеличение
последнего приводит к дальнейшему возрастанию Ф, что, в свою очередь, увеличивает Е и Iв.
Из-за насыщения стали магнитной цепи машины самовозбуждение
происходит не беспредельно, а до какого-то определенного напряжения, зависящего от частоты вращения якоря машины и сопротивления в цепи обмотки возбуждения.
При насыщении стали магнитной цепи увеличение магнитного
потока замедляется, и процесс самовозбуждения заканчивается.
ДЕВЯТЫЙ ШАГ. Как устроены и работают МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
267
Увеличение сопротивления в цепи обмотки возбуждения уменьшает как ток в ней, так и магнитный поток, возбуждаемый этим током.
Поэтому уменьшается ЭДС и напряжение, до которого возбуждается
генератор.
Напряжение так же, как и ЭДС, прямо пропорционально частоте,
вследствие чего с изменением частоты вращения изменяется и напряжение, до которого возбуждается генератор.
Характеристики генераторов постоянного тока
Характеристики генератора определяют его рабочие свойства и
представляют зависимость между основными величинами, которыми
являются ЭДС в обмотке якоря Е, напряжение на его зажимах U, ток в
якоре I, ток возбуждения Iв и частота вращения якоря n.
Характеристики представляют собой зависимости между двумя из
указанных основных величин при неизменных остальных. Эти зависимости имеют различный вид для генераторов разных типов.
Снятие всех характеристик машины производится при постоянной
частоте вращения якоря, так как при изменении частоты значительно
изменяются все характеристики генератора.
Характеристика холостого хода генератора представляет собой
зависимость между ЭДС в якоре и током возбуждения, снятую при
отсутствии нагрузки и постоянной частоте вращения.
Для генераторов независимого возбуждения при отсутствии
нагрузки (холостой ход) ток в якоре равен нулю. ЭДС, индуктированная в обмотке якоря, равна
Е = СnФ.
Поэтому при постоянной частоте вращения ЭДС окажется прямо
пропорциональной магнитному потоку.
Примечание.
Можно сказать, что в измененном масштабе характеристика холостого хода представляет магнитную характеристику машины.
При Iв = 0 магнитная цепь машины (главным образом ярмо) имеет
некоторый остаточный магнитный поток Ф0, который индуктирует
в обмотке якоря ЭДС Е (рис. 9.13, а). Эта ЭДС составляет несколько
процентов (2—5%) номинального напряжения машины.
268
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
С увеличением тока в
обмотке возбуждения возрас1
A
B
1
E OCT
C 3 тают как магнитный поток,
3
Iв
так и ЭДС, индуктированная
в обмотке якоря. Таким образом, при постоянном постеIв
пенном увеличении Iв возрастает
и ЭДС (кривая 1).
а
б
Если после снятия восРис. 9.13. Характеристика холостого хода
ходящей ветви от точки А
генератора независимого возбуждения:
а — при перемагничивании стали;
начать постепенно понижать
б — при изменении частоты вращения якоря
ток возбуждения Iв, то ЭДС
также начнет уменьшаться, но за счет гистерезиса нисходящая ветвь
(кривая 2) пойдет несколько выше восходящей ветви этой характеристики.
Изменяя Iв не только по величине, но и по направлению, можно
снять весь цикл перемагничивания стали машины.
Практически восходящая и нисходящая ветви магнитной характеристики имеют крайне незначительное расхождение, и за основную
характеристику принимается средняя зависимость (кривая 3).
На (рис. 9.13, б) показаны характеристики холостого хода, снятые
при различной частоте вращения якоря генератора.
Вращению якоря машины с номинальной частотой nн, указанной
в паспорте генератора, соответствует кривая 1. Для всех машин нормального типа точка номинального напряжения (точка А) находится
на перегибе магнитной характеристики.
Выбор точки номинального напряжения на линейном участке магнитной характеристики приводит к резким колебаниям напряжения
на зажимах генератора при нагрузке, так как незначительные колебания магнитодвижущей силы вызывают резкое изменение ЭДС.
Выбор этой точки на пологом участке магнитной характеристики
приводит к ограничению регулирования напряжения на зажимах
генератора, так как для изменения ЭДС требуются очень большие
изменения тока возбуждения.
При частоте вращения, отличной от номинальной частоты вращения якоря генератора, меняется характеристика холостого хода, так
как ЭДС пропорциональна частоте. При n' > nн характеристика холостого хода расположится выше (кривая 2), а при n' < nн — ниже (кривая 3), чем при номинальной частоте вращения.
E
2
A
E
2
ДЕВЯТЫЙ ШАГ. Как устроены и работают МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
269
Следовательно, при изменении частоты вращения якоря точка номинального напряжения окажется либо на линейном (точка В), либо на
пологом (точка С) участке магнитной характеристики. Это вызывает
изменение всех характеристик генератора. Поэтому первичный двигатель для вращения якоря генератора надо выбирать так, чтобы его
частота вращения была близкой к номинальной частоте генератора.
Для генераторов параллельного возбуждения при холостом ходе
ток в якоре равен току возбуждения (I = Iв). Так как этот ток составляет малую величину (несколько процентов номинального тока генератора), то напряжение на зажимах машины при холостом ходе будет
примерно равным ЭДС. Характеристика холостого хода этого генератора практически совпадет с характеристикой генератора независимого возбуждения.
Однако весь цикл перемагничивания в генераторах параллельного
возбуждения снять нельзя. Ведь при изменении направления тока в
обмотке возбуждения магнитный поток ее будет направлен встречно
потоку остаточного магнетизма, и самовозбуждение генератора окажется невозможным.
Для генератора последовательного возбуждения характеристика
холостого хода смысла не имеет, так как при холостом ходе в якоре и
обмотке возбуждения ток равен нулю, и характеристика может быть
снята только по схеме независимого возбуждения.
Для этого обмотка возбуждения генератора должна быть включена
в сеть какого-либо независимого источника тока.
Для генераторов смешанного возбуждения характеристика холостого хода совпадает с характеристикой генератора параллельного
возбуждения.
Внешняя характеристика представляет собой зависимость напряжения на зажимах генератора от тока нагрузки. Эта характеристика
соответствует естественным условиям работы машины, т. е. машина
нерегулируема (сопротивление цепи возбуждения RB постоянно) и
снимается при неизменной частоте вращения.
Для генераторов независимого возбуждения при постоянном RB
неизменен также и ток возбуждения Iв. Внешние характеристики
такого генератора показаны на (рис. 9.14).
Кривая 1 представляет собой внешнюю характеристику на понижение напряжения, соответствующую току обмотки возбуждения,
при котором напряжение генератора равно номинальному при холостом ходе.
270
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
С возрастанием нагрузки (тока I в
якоре генератора) увеличивается:
DUпв
Uн
и падение напряжения в сопротивDUпн
лении его обмотки;
1
и размагничивающее действие реакции якоря.
I
0
Iн
Это вызывает понижение напряжения.
При изменении нагрузки от нуля до номиРис. 9.14. Внешняя
характеристика генератора
нальной напряжение на зажимах генеранезависимого возбуждения
тора уменьшается на величину ∆Uпн.
Характеристике на повышение напряжения (кривая 2) соответствует такой ток возбуждения, чтобы при номинальной нагрузке генератора напряжение на его зажимах было равно номинальному, после
чего нагрузка генератора уменьшается.
С уменьшением нагрузки (тока в якоре) также снижается как падение напряжения в сопротивлении обмотки якоря и щеточных контактах, так и размагничивающее действие реакции якоря, что вызывает
повышение напряжения.
При изменении нагрузки от номинальной до 0 напряжение на
зажимах генератора увеличивается на величину ∆Uпв.
За счет насыщения стали повышение напряжения меньше, чем
понижение, так как размагничивающее действие реакции якоря будет
сказываться тем сильнее, чем меньше степень насыщения стали.
В генераторах параллельного возбуждения при постоянном сопротивлении цепи возбуждения RB ток возбуждения не остается постоянным, так как зависит от напряжения на зажимах генератора, которое
при изменении нагрузки меняется.
В генераторах независимого возбуждения
увеличение нагрузки вызывает понижеU
ние напряжения под воздействием падения
3
напряжения в сопротивлении машины и
1
реакции якоря (кривая 1 на рис. 9.15).
2
Imax
В генераторах параллельного возбуждения при уменьшении напряжения также
I
уменьшается ток возбуждения, что вызывает
0
Iк
Iн
уменьшение магнитного потока и понижение
Рис. 9.15. Внешняя
характеристика генератора напряжения.
параллельного возбуждения
Следовательно, при увеличении нагрузки
напряжение на зажимах генератора этого
U
2
ДЕВЯТЫЙ ШАГ. Как устроены и работают МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
271
типа уменьшается в большей мере (кривая 2 на рис. 9.15), чем в генераторах независимого возбуждения.
Уменьшение внешнего сопротивления нагрузки вызывает увеличение тока до некоторого значения Iмакс, не превышающего номинальный ток более чем в 2—2,5 раза.
При дальнейшем уменьшении внешнего сопротивления ток уменьшается и при коротком замыкании будет значительно меньше номинального.
Понижение сопротивления нагрузки вызывает уменьшение тока
возбуждения, так как напряжение генератора понижается. Если ток
возбуждения уменьшился настолько, что машина оказалась размагниченной, то ЭДС понижается в большей степени, чем сопротивление
нагрузки, что вызывает уменьшение тока в якоре.
При коротком замыкании генератора параллельного возбуждения ток Iв равен нулю, и обмотка возбуждения не создает магнитного
потока.
Поэтому в обмотке якоря будет ЭДС только от остаточного магнитного потока Е0, имеющая малое значение, и, следовательно, ток
короткого замыкания Iк будет также мал.
Внешняя характеристика на повышение
напряжения у генератора параллельного U
1
возбуждения (кривая 3 на рис. 9.15) имеет
2
такой же вид, как у генератора независимого
возбуждения.
Для генератора последовательного возEост
буждения внешняя характеристика покаI
0
Iн
зана на (рис. 9.16). В генераторах этого
типа ток возбуждения равен току якоря
Рис. 9.16. Внешняя
(Iв = I), и при холостом ходе (I = 0) в обмотке характеристика генератора
последовательного
якоря будет создана ЭДС Е0 за счет остаточвозбуждения
ного магнетизма.
С увеличением нагрузки также возрастет ток в обмотке возбуждения, что вызывает увеличение ЭДС (кривая 1 на рис. 9.16).
Напряжение на зажимах генератора при нагрузке меньше ЭДС
вследствие падения напряжения в сопротивлении машины и реакции
якоря (кривая 2 на рис. 9.16).
Таким образом, у генераторов последовательного возбуждения
напряжение резко меняется с изменением нагрузки, поэтому они не
нашли применения.
272
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
В генераторах смешанного возбуждения возможно согласное и
встречное включение последовательной и параллельной обмоток.
При согласном включении обмоток возбуждения результирующая
магнитодвижущая сила, создающая магнитный поток, равна сумме
магнитодвижущих сил параллельной и последовательной обмоток, а
при встречном включении — разности этих магнитодвижущих сил.
На рис. 9.17 показаны внешние характеU
3
ристики генератора смешанного возбуждения. С увеличением нагрузки такого генераUн
1
2
тора уменьшается напряжение на его зажи4
мах в результате падения напряжения в его
Imax
сопротивлении и реакции якоря. Однако с
увеличением нагрузки возрастает также ток
I
0
Iк
Iн
в последовательной обмотке возбуждения.
Рис. 9.17. Внешняя
Поэтому при согласном включении обмохарактеристика генератора
ток
увеличение нагрузки вызывает увелисмешанного возбуждения
чение магнитного потока и ЭДС обмотки
якоря.
Если ЭДС с повышением нагрузки возрастает на величину, равную
понижению напряжения генератора, так как падает напряжение в его
сопротивлении и реакции якоря, то напряжение на зажимах генератора будет практически оставаться неизменным при изменении
нагрузки от холостого хода до номинальной (кривая 1 на рис. 9.17).
Такой генератор, называемый нормально возбужденным, не требует регулировки тока возбуждения при изменениях нагрузки.
При уменьшении числа витков последовательной обмотки ЭДС с
возрастанием нагрузки будет увеличиваться в меньшей степени, и не
будет компенсировать понижения напряжения. Поэтому напряжение
на зажимах генератора будет уменьшаться (кривая 2 на рис. 9.17), т. е.
генератор недовозбужден.
Если число витков последовательной обмотки возбуждения больше,
чем то, которое соответствует нормальному возбуждению машины, то
генератор окажется перевозбужденным, и напряжение на его зажимах
будет возрастать с увеличением нагрузки (кривая 3 на рис. 9.17).
При встречном включении обмоток возбуждения внешняя характеристика подобна внешней характеристике генератора параллельного возбуждения (кривая 4 на рис. 9.17), однако токи максимальный
Iмакс и короткого замыкания Iк у генератора смешанного возбуждения
будут меньше соответствующих токов генератора параллельного воз-
ДЕВЯТЫЙ ШАГ. Как устроены и работают МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
273
буждения в результате размагничивающего действия магнитодвижущих сил последовательной обмотки.
Наиболее часто применяют генераторы нормально возбужденные,
а также перевозбужденные, позволяющие компенсировать падение
напряжения в линии, соединительных проводах и т. д. с тем, чтобы
напряжение на нагрузке оставалось постоянным при изменении
тока.
Генераторы со встречным включением обмоток возбуждения не
обеспечивают постоянства напряжения и поэтому широкого применения не нашли. Их используют лишь в тех случаях, когда необходимо ограничить токи коротких замыканий (например, при электросварке).
Регулировочная характеристика генератора представляет собой
зависимость тока возбуждения от тока нагрузки, снимаемая при
постоянном напряжении на зажимах генератора.
Регулировочная характеристика генератора показывает, в какой
мере следует изменить ток в обмотке возбуждения для того, чтобы
напряжение на зажимах генератора оставалось постоянным при изменении тока нагрузки.
В генераторах независимого и параллельного возбуждения с увеличением тока нагрузки необходимо увеличить ток возбуждения для
того, чтобы скомпенсировать падение напряжения на внутреннем
сопротивлении машины и размагничивающее действие потока реакции якоря.
В генераторах смешанного возбуждения (нормально возбужденных) напряжение при изменении нагрузки не претерпевает изменений, и, следовательно, необходимость регулирования тока возбуждения отпадает, т. е. регулировочная характеристика в таких генераторах
не имеет смысла, так как ток возбуждения постоянен при изменениях
тока нагрузки.
274
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
9.5. Пуск, характеристики, регулирование
частоты вращения двигателей постоянного тока.
Потери и КПД машин постоянного тока
Работа машины постоянного тока в режиме двигателя
При включении двигателя постоянного тока в сеть под действием
приложенного напряжения проходит ток как в обмотке якоря, так и
в обмотке возбуждения. Ток возбуждения создает магнитный поток
полюсов.
В результате взаимодействия тока в проводниках
U
обмотки якоря с магнитным полем полюсов создается вращающий момент, и якорь машиныприходит
во вращение. Таким образом, электрическая энергия
преобразуется в энергию механическую.
Rр
Положим, что генератор параллельного возбуждения включен в сеть большой мощности (рис. 9.18).
Ток нагрузки генератора определяется следующим Рис. 9.18. Схема
включения
выражением:
генератора
параллельного
возбуждения в сеть
I = (E – U)/Rя,
где I — ток в обмотке якоря;
Rя — сопротивление этой обмотки;
Е — ЭДС, индуктируемая в этой же обмотке;
U — напряжение сети.
Направление ЭДС и тока в активных проводах якоря показано на
схеме (рис. 9.19, а). Машина развивает электромагнитный момент Мэ,
N
N
n
Е; Iя
Е; Iя
Iя
n
Mэ
Mэ
M1
Е; Iя
а
S
Iя
Е; Iя
б
S
Рис. 9.19. Схема работы машины постоянного тока в режимах:
генератора (а); двигателя (б)
ДЕВЯТЫЙ ШАГ. Как устроены и работают МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
275
являющийся тормозным, т. е. потребляет механическую энергию и
вырабатывает энергию электрическую.
Если понизить ток возбуждения, то уменьшится как магнитный
поток, так и ЭДС, индуктируемая в обмотке якоря. Это вызовет уменьшение нагрузки генератора.
Изменяя сопротивление регулировочного реостата, можно довести ток возбуждения до такой величины, при которой ЭДС в обмотке
якоря будет равна напряжению сети (E = U), а ток в якоре равен нулю.
Т. е. генератор работает вхолостую.
При токе возбуждения меньшем тока, соответствующего холостой
работе генератора, ЭДС обмотки якоря будет меньше напряжения
сети, и ток в якоре изменит направление на обратное (рис. 9.19, б).
При изменении направления тока в проводниках обмотки якоря
также изменится направление электромагнитного момента Мэ, развиваемого машиной, т. е. момент станет вращающим.
Вывод.
Таким образом, машина, потребляя электрическую энергию, вырабатывает энергию механическую, т. е. работает двигателем.
Если отключить первичный двигатель, то якорь машины будет продолжать вращаться под действием развиваемого электромагнитного
момента Мэ.
При вращении якоря в проводниках его обмотки индуктируется
ЭДС, направление которой противоположно направлению тока.
Поэтому ее называют противо-ЭДС или обратной ЭДС.
Противо-ЭДС играет роль регулятора потребляемой мощности,
т. е. потребляемый ток изменяется вследствие изменения противоЭДС, равной Е = СnФ.
Вращающий момент, развиваемый двигателем, Мэ = КIФ.
Приложенное напряжение уравновешивается противо-ЭДС и падением напряжения в сопротивлении обмотки якоря и щеточных контактов. Следовательно, U = E + IRя.
Ток в обмотке и частота вращения якоря определяются следующими выражениями:
I = (U – E)/Rя и n = (U – IRя)/CФ.
Направление вращения якоря двигателя зависит от полярности
полюсов и от направления тока в проводниках обмотки якоря. Таким
276
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
образом, для реверсирования двигателя, т. е. для изменения направления вращения якоря, нужно либо изменить полярность полюсов,
переключив обмотку возбуждения, либо изменить направление тока
в обмотке якоря.
Обмотка возбуждения обладает значительной индуктивностью, и
переключение ее нежелательно. Поэтому реверсирование двигателей
постоянного тока обычно заключается в переключении обмотки якоря.
Пуск двигателей постоянного тока
В начальный момент пуска в ход якорь двигателя неподвижен, и
противо-ЭДС равна нулю (Е = 0). При непосредственном включении
двигателя в сеть в обмотке якоря будет протекать чрезмерно большой
ток Iпуск = U/Rя. Поэтому непосредственное включение в сеть допускается только для двигателей очень малой мощности, у которых падение
напряжения в якоре представляет относительно большую величину и
броски тока не столь велики.
В машинах постоянного тока большой мощности падение напряжения в обмотке якоря при полной нагрузке составляет несколько процентов от номинального напряжения, т. е. IRя = (0,02—0,1)U.
Следовательно, пусковой ток, в случае включения двигателя в сеть
с номинальным напряжением, во много раз превышает номинальный.
Для ограничения пускового тока используют пусковые реостаты,
включаемые последовательно с якорем двигателя при пуске в ход.
Пусковые реостаты представляют собой проволочные сопротивления, рассчитываемые на кратковременный режим работы. Они
выполняются ступенчатыми. Это дает возможность изменять ток в
якоре двигателя в процессе пуска его в ход.
Схема двигателя параллельного возбуждения с пусковым реостатом показана на (рис. 9.20, а).
Пусковой реостат этого двигателя имеет три зажима, обозначаемые буквами Л, Я, Ш.
Зажим Л соединен с движком реостата и подключается к одному из
полюсов рубильника (к линии). Зажим Я соединяется с сопротивлением реостата и подключается к зажиму якоря. Зажим Ш соединен с
металлической шиной, помещенной на реостате (шунт).
Движок реостата скользит по шине так, что между ними имеется
непрерывный контакт. К зажиму Ш через регулировочное сопротивление Rр присоединяется обмотка возбуждения. Вторые зажимы якоря и
ДЕВЯТЫЙ ШАГ. Как устроены и работают МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
277
ПР
0
2
1
n, Mэ
3
Мэ
4
Л
n
5
Ш
Я
Rр
Iн
а
I
б
Рис. 9.20. Схема (а) и характеристики (б) двигателя параллельного возбуждения
обмотки возбуждения соединены между собой перемычкой и подключены ко второму полюсу рубильника, включающего двигатель в сеть.
При пуске в ход включается рубильник и движок реостата переводится на контакт 1, так что последовательно с якорем соединено
полное сопротивление пускового реостата ПР, которое выбирается
таким, чтобы наибольший ток при пуске в ход Imах не превышал номинальный ток более чем в 1,7—2,5 раза, т. е.
Rп = U/Imax – Rя.
При включении двигателя в сеть по обмотке возбуждения также
проходит ток, возбуждающий магнитный поток. В результате взаимодействия тока в якоре с магнитным полем полюсов создается пусковой момент.
Если пусковой момент окажется больше тормозного момента на
валу двигателя (Мпуск > Мт), то якорь машины придет во вращение.
Под действием инерции частота вращения не может претерпевать
мгновенных изменений и будет постепенно увеличиваться. Вместе с
ней возрастает противо-ЭДС, и ток в якоре начнет уменьшаться. Это
вызывает уменьшение вращающего момента двигателя.
В рабочем режиме сопротивление пускового реостата должно быть
полностью выведено, так как оно рассчитано на кратковременный
режим работы и при длительном прохождении тока выйдет из строя.
Когда ток в якоре уменьшится до небольшого значения Imin, движок
пускового реостата переводится на контакт 2. При этом сопротивление
пускового реостата уменьшится на одну ступень, что увеличит ток.
Сопротивление всех ступеней пускового реостата выбирают так,
чтобы при переводе движка реостата с одного контакта на другой ток
в якоре изменялся от Imin до Imax.
278
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
С увеличением тока в якоре возрастает вращающий момент, вследствие чего частота вращения вновь увеличивается. С увеличением
частоты вращения якоря возрастает противо-ЭДС, что вызовет уменьшение тока в якоре.
Когда ток в якоре достигает вновь наименьшего значения, движок
реостата переводится на контакт 3.
Таким образом, сопротивление пускового реостата постепенно
(ступенями) уменьшается, пока оно полностью не будет выведено
(движок реостата на контакте 5), и в рабочем режиме ток и частота
вращения якоря принимают установившиеся значения, соответствующие тормозному моменту на валу двигателя. Наименьший ток при
пуске в ход зависит от режима работы двигателя.
Если двигатель пускается при полной нагрузке, то Imin = 1,1Iн.
Примечание.
При пуске двигателя без нагрузки или при малых нагрузках этот
ток может быть меньше номинального тока двигателя.
Число ступеней пускового реостата зависит от разности Imax – Imin.
Причем чем меньше разность этих токов, тем больше число ступеней.
Обычно пусковые реостаты имеют от 2 до 7 ступеней.
При пуске двигателя в ход регулировочное сопротивление Rv в цепи
возбуждения должно быть полностью выведено. Т. е. ток возбуждения
должен быть наибольшим, что дает возможность уменьшить пусковой ток.
Для пуска двигателя необходимо создать пусковой момент, больший тормозного момента на валу. Так как Mпуск = KIпускФ, то для уменьшения пускового тока надо увеличить магнитный поток, т. е. увеличить ток в обмотке возбуждения.
Металлическая шина пускового реостата соединена с зажимом 1.
Это необходимо для того, чтобы при отключении двигателя от сети
не было разрыва цепи обмотки возбуждения, имеющей значительную
индуктивность.
При отключении двигателя движок пускового реостата переводится
на холостой контакт 0 и рубильник отключается. При этом обмотка
возбуждения будет замкнута на сопротивление пускового реостата и
якоря, что дает возможность избежать перенапряжений и дугообразования.
ДЕВЯТЫЙ ШАГ. Как устроены и работают МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
279
Характеристики двигателей постоянного тока
Рабочие свойства двигателей определяются их рабочими характеристиками, представляющими собой зависимости частоты вращения
n, вращающего момента Мэ, потребляемого тока I, мощности P1 и КПД
η от полезной мощности на валу Р2.
Эти зависимости соответствуют естественным условиям работы
двигателя, т. е. машина не регулируется, а напряжение сети остается
постоянным.
При изменении полезной мощности P2 (т. е. нагрузки на валу) изменяется также и ток в якоре машины, поэтому рабочие характеристики
часто строятся в зависимости от тока в якоре.
Зависимости вращающего момента и частоты вращения от тока
в якоре для двигателя параллельного возбуждения изображены на
(рис. 9.20, б). Частота вращения двигателя определяется следующим
выражением:
n = (U – IRя)/СФ.
С увеличением нагрузки на валу двигателя возрастает также и ток
в якоре. Это вызывает увеличение падения напряжения в сопротивлении обмотки якоря и щеточных контактах.
Так как ток возбуждения остается неизменным (машина нерегулируема), то магнитный поток также постоянен.
Однако при повышении тока в якоре увеличивается размагничивающее действие потока реакции якоря и магнитный поток Ф несколько
уменьшится.
Увеличение IRя вызывает понижение частоты вращения двигателя,
а уменьшение Ф повышает частоту. Обычно падение напряжения влияет на изменение частоты в несколько большей степени, чем реакция
якоря, так что с увеличением тока в якоре частота уменьшается.
Изменение частоты вращения у двигателя этого типа незначительно. Оно не превышает 5% при изменении нагрузки от нуля до
номинальной. Т. е. двигатели параллельного возбуждения имеют
жесткую скоростную характеристику.
Вращающий момент двигателя определяется так: Мэ = КIФ.
При неизменном магнитном потоке зависимость момента от тока в
якоре может быть представлена прямой линией. Но под воздействием
реакции якоря с увеличением нагрузки в некоторой степени уменьшится магнитный поток, и зависимость момента отклонится вниз от
прямой линии.
280
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
0
n, Mэ
ПР
1
Мэ
2
3
4
n
I
Imin
а
б
Iн
Рис. 9.21. Схема (а) и характеристики (б) двигателя последовательного возбуждения
Схема двигателя последовательного возбуждения показана на
рис. 9.21, а. Пусковой реостат этого двигателя имеет только два
зажима, так как обмотка возбуждения и якорь образуют одну последовательную цепь.
Характеристики двигателя изображены на рис. 9.21, б. Частота вращения двигателя последовательного возбуждения определяется следующим выражением:
n = (U – I (Rя + Rc))/СФ,
где Rc — сопротивление последовательной обмотки возбуждения.
В двигателе последовательного возбуждения магнитный поток не
остается постоянным, а резко изменяется с изменением нагрузки. Это
вызывает значительное изменение частоты вращения. Так как падение
напряжения в сопротивлении якоря и в обмотке возбуждения очень
мало в сравнении с приложенным напряжением, то частоту вращения
можно приближенно определить следующим выражением:
n = U/СФ.
Если пренебречь насыщением стали, то можно считать магнитный поток пропорциональным току в обмотке возбуждения, который
равен току в якоре.
Вывод.
Следовательно, у двигателя последовательного возбуждения
частота вращения обратно пропорциональна току в якоре и она
резко уменьшается с увеличением нагрузки, т. е. двигатель имеет
мягкую скоростную характеристику.
ДЕВЯТЫЙ ШАГ. Как устроены и работают МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
281
Внимание.
С уменьшением нагрузки частота вращения двигателя увеличивается. При холостом ходе (Iя = 0) частота вращения двигателя беспредельно возрастает, т. е. двигатель идет в разнос. Таким образом, характерным свойством двигателей последовательного возбуждения является недопустимость сброса нагрузки, т. е. работы
вхолостую или при малых нагрузках.
Двигатель имеет минимальную допустимую нагрузку, составляющую 25—30% номинальной. При нагрузке меньше минимально допустимой частота вращения двигателя резко увеличивается, что может
вызвать его разрушение. Поэтому, когда возможны сбросы или резкие
уменьшения нагрузки, двигатели последовательного возбуждения не
применяют.
В двигателях очень малых мощностей сброс нагрузки не вызывает
разноса, так как механические потери их будут достаточно большой
нагрузкой для них.
Вращающий момент двигателя последовательного возбуждения,
учитывая пропорциональную зависимость между магнитным потоком и током в якоре (Ф = С'I), можно определить следующим выражением:
Mэ = KIФ = К'I2
где К' = КС', т. е. вращающий момент пропорционален квадрату тока.
Однако при больших токах сказывается насыщение стали и зависимость момента приближается к прямой линии.
Примечание.
Таким образом, двигатели этого типа развивают большие вращающие моменты, что имеет существенное значение при пуске
больших инерционных масс и перегрузках. Эти двигатели широко
используют в транспортных и подъемных устройствах.
При смешанном возбуждении возможно как согласное, так и
встречное включение обмоток возбуждения.
Двигатели со встречным включением обмоток не нашли широкого
применения, так как они обладают плохими пусковыми свойствами и
работают неустойчиво.
282
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
Характеристики двигателей смешанного возбуждения занимают
промежуточное положение между характеристиками двигателей
параллельного и последовательного возбуждения.
Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока
Двигатели постоянного тока получили широкое распространение
и часто являются незаменимыми благодаря ценному свойству — возможности плавно и экономично регулировать частоту вращения в
широких пределах.
Частота вращения якоря двигателя при любой схеме возбуждения
определяется следующим выражением:
n = (U – I (Rя – Rc))/СФ,
где Rc — сопротивление последовательной обмотки возбуждения (для
двигателя параллельного возбуждения Rс = 0).
Это выражение показывает, что частота вращения двигателя зависит от напряжения сети, сопротивления цепи якоря и магнитного
потока.
Частоту вращения регулируют путем изменения напряжения сети в
том случае, когда источником электрической энергии двигателя является какой-либо генератор.
Для регулирования частоты вращения двигателя изменением
сопротивления цепи якоря используют регулировочный реостат,
включенный последовательно с якорем.
В отличие от пускового регулировочный реостат должен быть рассчитан на длительное прохождение тока. В сопротивлении регулировочного реостата происходит большая потеря энергии, вследствие
чего резко уменьшается КПД двигателя.
Регулируют частоту вращения якоря двигателя изменением магнитного потока, который зависит от тока в обмотке возбуждения.
В двигателях параллельного и смешанного возбуждения для изменения тока включают регулировочный реостат, а в двигателях последовательного возбуждения для этой цели шунтируют обмотку возбуждения каким-либо регулируемым сопротивлением.
Последний способ регулирования частоты практически не создает
дополнительных потерь и экономичен.
ДЕВЯТЫЙ ШАГ. Как устроены и работают МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
283
Потери и КПД машин постоянного тока
В машинах постоянного тока при работе происходит потеря энергии, которая складывается из трех составляющих.
Первой составляющей являются потери в стали Рст на гистерезис
и вихревые токи, возникающие в сердечнике якоря. При вращении
якоря машины сталь его сердечника непрерывно перемагничивается.
На ее перемагничивание затрачивается мощность, называемая потерями на гистерезис.
Одновременно при вращении якоря в магнитном поле в сердечнике
его индуктируются вихревые токи. Потери на гистерезис и вихревые
токи, называемые потерями в стали, обращаются в тепло и нагревают
сердечник якоря.
Потери в стали зависят от магнитной индукции и частоты перемагничивания сердечника якоря.
Магнитная индукция определяет ЭДС машины или, иначе, напряжение, а частота перемагничивания зависит от частоты вращения
якоря. Поэтому при работе машины постоянного тока в режиме генератора или двигателя потери в стали будут постоянными, не зависящими от нагрузки, если напряжение на зажимах якоря и частота его
вращения постоянны.
Ко второй составляющей относятся потери энергии на нагревание
проводов обмоток возбуждения и якоря проходящими по ним токами,
называемые потерями в меди, — Робм.
Потери в обмотке якоря и в щеточных контактах зависят от тока в
якоре, т. е. являются переменными, меняются при изменениях нагрузки.
Третья составляющая — механические потери Рмех, представляющие собой потери энергии на трение в подшипниках, трение вращающихся частей о воздух и щеток о коллектор. Эти потери зависят
от частоты вращения якоря машины. Поэтому механические потери
также постоянны, не зависят от нагрузки.
КПД машины в процентах:
η = (P2/P1)×100%
где Р2 — полезная мощность;
Р1 — потребляемая машиной мощность.
При работе машины генератором полезная мощность P2 = UI, где
U — напряжение на зажимах генератора; I — ток в нагрузке.
284
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
9.6. Вопросы для тестирования
Вопрос №1.
Почему на практике не применяют генератор постоянного тока
последовательного возбуждения?
a) Напряжение на зажимах генератора резко изменяется при изменении нагрузки; б) напряжение на зажимах генератора не изменяется
при изменении нагрузки; в) ЭДС уменьшается при увеличении нагрузки;
г) ЭДС генератора не изменяется.
Вопрос №2.
При постоянном напряжении питания двигателя постоянного тока
параллельного возбуждения магнитный поток возбуждения уменьшился. Как изменилась частота вращения?
a) Уменьшилась; б) не изменилась; в) увеличилась; г) периодически
изменяется.
Вопрос №3.
Регулировочная характеристика генератора постоянного тока независимого возбуждения — это зависимость...
a) Нет зависимости; б) ... Е от Iвозб; в) ... Iвозб от Iнarp; г) ... U от I нагр.
Вопрос №4.
Номинальный ток двигателя постоянного тока с последовательным
возбуждением Iном = 50 А. Чему равен ток обмотки возбуждения?
a) 100 А; б) 50 А; в) 25 А; г) 250 А.
Вопрос №5.
Почему сердечник якоря машины постоянного тока набирают из
листов электротехнической стали, изолированных между собой?
a) Для уменьшения потерь мощности от перемагничивания и вихревых токов; б) из конструктивных соображений; в) для уменьшения магнитного сопротивления потоку возбуждения; г) для шумопонижения.
ДЕВЯТЫЙ ШАГ. Как устроены и работают МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
285
Вопрос №6.
Генератор постоянного тока смешанного возбуждения это генератор, имеющий:
a) ... параллельную обмотку возбуждения; б) ... последовательную
обмотку возбуждения; в) ... параллельную и последовательную обмотки
возбуждения; г) ... особые обмотки возбуждения.
Вопрос №7.
Каково назначение реостата в цепи обмотки возбуждения двигателя постоянного тока?
a) Ограничить пусковой ток; б) регулировать напряжение на зажимах; в) увеличивать пусковой момент; г) регулировать скорость вращения.
Вопрос №8.
Мощность, потребляемая двигателем постоянного тока из сети
P1 = 1,5 кВт. Полезная мощность, отдаваемая двигателем в нагрузку,
Р2 = 1,125 кВт. Определить КПД двигателя.
a) 80%; б) 75%; в) 85%; г) 90%.
Вопрос №9.
Что произойдет с ЭДС генератора параллельного возбуждения при
обрыве цепи возбуждения?
a) ЭДС увеличится; б) ЭДС не изменится; в) ЭДС снизится до Еост;
г) ЭДС станет равной нулю.
Вопрос №10.
Пусковой ток двигателя постоянного тока превышает номинальный ток из-за:
a) отсутствия противо-ЭДС в момент пуска; б) малого сопротивления обмотки якоря; в) большого сопротивления обмотки возбуждения; г) малого сопротивления обмотки возбуждения.
ДЕ С ЯТ Ы Й Ш А Г
Знакомьтесь: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
Сделав ДЕСЯТЫЙ шаг, вы познакомитесь с полупроводниковыми приборами (диодами, транзисторами, тиристорами, микросхемами), которые составляют основу любой
электронной схемы. Узнаете вы и о газоразрядных приборах: что такое ионизация газа и электрический заряд, как
работают фотоэлементы и многое другое. И в завершении — ответите на вопросы для самотестирования.
10.1. Первое знакомство
с полупроводниковыми приборами
Электропроводность полупроводников
Полупроводниками называются материалы, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.
Особенностью металлических проводников является наличие свободных электронов — носителей электрических зарядов.
В диэлектриках свободных электронов нет, и поэтому они не проводят тока. В отличие от проводников полупроводники имеют не только
электронную, но и «дырочную» проводимости, которые в сильной степени зависят от температуры, освещенности, сжатия, электрического
поля и других факторов.
Химическую связь двух соседних атомов с образованием на одной
орбите общей пары электронов (рис. 10.1, а) называют ковалентной
или парноэлектронной. Ее условно изображают двумя линиями, соединяющими электроны (рис. 10.1, б).
Например, германий принадлежит к элементам четвертой группы
периодической системы элементов Менделеева и имеет на внешней
орбите четыре валентных электрона. Каждый атом в кристалле гер-
ДЕСЯТЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
287
мания образует ковалентные
4
4
связи с четырьмя соседними
атомами (рис. 10.1, в).
При отсутствии примесей и
4
4
температуре, близкой к абсоа
б
в
лютному нулю, все валентные
электроны атомов в кристалле
Рис. 10.1. Кристаллическая решетка
полупроводника:
германия взаимно связаны
a — парноэлектронная (ковалентная) связь атомов;
и свободных электронов нет,
б — схематическое изображение;
в — связи в кристаллической решетке германия
так что германий не обладает
проводимостью.
При повышении температуры или при облучении увеличивается
энергия электронов, что приводит к частичному нарушению ковалентных связей и появлению свободных электронов. Уже при комнатной
температуре под действием внешнего электрического поля свободные
электроны перемещаются, и в кристалле возникает электрический ток.
Определение.
Электропроводность, обусловленная перемещением свободных
электронов, называется электронной проводимостью полупроводника, или n-проводимостью.
При появлении свободных электронов в ковалентных связях образуется свободное, не заполненное электроном (вакантное) место —
«электронная дырка». Так как дырка возникла в месте отрыва электрона от атома, то в области ее образования возникает избыточный
положительный заряд.
При наличии дырки какой-либо из электронов соседних связей
может занять место дырки и нормальная ковалентная связь в этом
месте восстановится, но будет нарушена в том месте, откуда ушел
электрон. Новую дырку может занять еще какой-нибудь электрон
и т. д. Схема образования и заполнения дырки условно показана на
рис. 10.2.
4 3
2
1
4 3
4
2
3
4
2
3
2
1
1
Рис. 10.2. Образование и заполнение дырок в кристалле германия
1
288
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
В установленной наклонно подставке имеется четыре отверстия
(дырки), в которых расположено четыре шара (электрона). Если
шар 1 сместится вправо, то он освободит отверстие (дырку) и упадет
с подставки, а в отверстие, которое занимал этот шар, переместится
шар 2. Свободное отверстие (дырку) шара 2 займет шар 3, а отверстие
последнего — шар 4.
Под действием внешнего электрического поля дырки перемещаются в направлении сил поля, т. е. противоположно перемещению
электронов.
Определение.
Проводимость, возникающая в результате перемещения дырок,
называется дырочной проводимостью, или р-n проводимостью.
Таким образом, при электронной проводимости один свободный
электрон проходит весь путь в кристалле, а при дырочной проводимости большое число электронов поочередно замещают друг друга в
ковалентных связях и каждый из них проходит свой отрезок пути.
В кристалле чистого полупроводника при нарушении ковалентных
связей возникает одинаковое число свободных электронов и дырок.
Одновременно с этим происходит обратный процесс — рекомбинация, при которой свободные электроны заполняют дырки, образуя
нормальные ковалентные связи.
При определенной температуре число свободных электронов и
дырок в единице объема полупроводника в среднем остается постоянным. При повышении температуры число свободных электронов и
дырок сильно возрастает и проводимость германия значительно увеличивается.
Определение.
Электропроводность полупроводника при отсутствии в нем примесей называется его собственной электропроводностью.
Свойства полупроводника в сильной степени меняются при наличии в нем ничтожного количества примесей. Вводя в кристалл полупроводника атомы других элементов, можно получить в кристалле
преобладание свободных электронов над дырками или, наоборот,
преобладание дырок над свободными электронами.
ДЕСЯТЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
289
С вободны й
Например, при замеэлектрон
+4
+4
щении в кристаллической решетке атома
германия атомом пяти- +4
+5
+4
+3
+4
+4
валентного вещества
Д ы рка
(мышьяка, с у рьмы,
фосфора) четыре элек+4
+4
а
б
трона этого вещества
образуют заполненРис. 10.3. Схема связи примесей с германием:
а — пятивалентной (донорной);
ные связи с соседними
б — трехвалентной (акцепторной)
атомами германия, а
пятый электрон окажется свободным (рис. 10.3, а). Поэтому такая
примесь увеличивает электронную проводимость (n-проводимость)
и называется донорной.
При замещении атома германия атомом трехвалентного вещества
(индий, галлий, алюминий) его электроны вступят в ковалентную
связь с тремя соседними атомами германия, а связи с четвертым атомом германия будут отсутствовать, так как у индия нет четвертого
электрона (рис. 10.3, б).
Восстановление всех ковалентных связей возможно, если недостающий четвертый электрон будет получен от ближайшего атома германия. Но в этом случае на месте электрона, покинувшего атом германия, появится дырка, которая может быть заполнена электроном из
соседнего атома германия.
Последовательное заполнение свободной связи эквивалентно движению дырок.
Определение.
Примеси с меньшим числом валентных электронов в атоме по сравнению с атомом данного полупроводника вызывают преобладание
дырочной проводимости и называются акцепторными.
Определение.
Носители заряда, определяющие вид проводимости в примесном
полупроводнике, называются основными (дырки в р-полупроводнике
и электроны в n-полупроводнике), а носители заряда противоположного знака — неосновными.
290
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
Полупроводниковые диоды
Полупроводниковый диод (вентиль) представляет собой контактное соединение двух полупроводников, один из которых с электронной проводимостью (n-типа), а другой — с дырочной (р-типа).
Принцип действия представлен на рис. 10.4.
En
Вследствие большой концентрации
электронов в полупроводнике n-типа будет
n
p
происходить диффузия их из первого полупроводника во второй. Аналогично будет
Рис. 10.4. Полупроводниковый происходить диффузия дырок из второго
диод
полупроводника р-типа в первый n-типа.
В тонком пограничном слое полупроводника n-типа возникает положительный заряд, а в пограничном слое полупроводника
р-типа — отрицательный заряд. Между этими слоями возникает разность потенциалов (потенциальный барьер) и образуется электрическое поле напряженностью Еп, которая препятствует диффузии электронов и дырок из одного полупроводника в другой.
Таким образом, на границе двух полупроводников возникает тонкий слой, обедненный носителями зарядов (электронов и дырок) и
обладающий большим сопротивлением. Этот слой называется запирающим p-n-переходом.
Вследствие теплового движения в электрическое поле р-n-перехода
попадают неосновные носители зарядов (электроны из р-области и
дырки из n-области).
Определение.
Движение неосновных носителей зарядов под действием сил поля
р-n-перехода направлено встречно диффузионному току основных
носителей и называется дрейфовым или тепловым током, зависящим в сильной степени от температуры.
–
+
Iобр
U
DCV
–00.1
мА
Eв
En
n
p
Рис. 10.5. Схема включения
диода в обратной полярности
На рис. 10.5 внешнее электрическое
поле Ев направлено согласно с полем p-nперехода Еп. При отсутствии внешнего
электрического поля дрейфовый ток уравновешивается диффузионным, и суммарный ток через p-n-переход равен нулю.
Соединив положительный зажим источника питания с металлическим электро-
ДЕСЯТЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
291
дом полупроводника n-типа, а отрицательный зажим с электродом
полупроводника р-типа, получим внешнее электрическое поле Ев,
направленное согласно с полем p-n-перехода Еп, усиливающее его
(рис. 10.5).
Такое поле еще больше будет препятствовать прохождению основных носителей зарядов через запирающий слой и через диод пройдет
малый обратный ток Iобр, обусловленный неосновными носителями
заряда.
99.0
На рис. 10.6 внешнее электрическое
Iпр
мА
U
поле Ев направлено встречно полю p-nEв
En
перехода Еп. Обратный ток диода в значительной мере зависит от температуры, увеn
p
личиваясь с ее повышением.
При изменении полярности источника
Рис. 10.6. Схема включения
питания (рис. 10.6) внешнее электрическое
диода в прямой полярности
поле Ев окажется направленным встречно
полю p-n-перехода Еп и под действием этого поля электроны и дырки
начнут двигаться навстречу друг другу и число основных носителей
заряда в переходном слое возрастет, уменьшая потенциальный барьер
и сопротивление переходного слоя.
Таким образом, в цепи устанавливается прямой ток Iпр, который
будет значительным даже при относительно небольшом напряжении
источника питания U.
На рис. 10.7 показана вольтамIпр(м А)
перная характеристика германие10
вого диода и его условное обозначение. Для большей нагляд8
ности прямая ветвь (правая часть
6
графика) и обратная ветвь (левая
часть графика) характеристики
4
изображены в различных масштабах.
2
Характеристика показывает, что Uобр(В )
Uпр(В )
0
–80
–60
–40
–20
при небольшом прямом напряже1 2
0,5
нии Uпр = 1 В на зажимах диода в
1
его цепи проходит относительно
1,5
Iобр(м А)
большой ток, а при значительных
Рис. 10.7. Вольтамперная
обратных напряжениях U обр ток
характеристика германиевого диода и
Iобр ничтожно мал.
его условное обозначение
+
DCV
–
292
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
Вывод.
Таким образом, полупроводниковый диод обладает односторонней
проводимостью, т. е. является электрическим вентилем.
Электрические вентили бывают германиевые, кремниевые, селеновые и медно-закисные. Германиевые и кремниевые вентили изготовляют двух типов: точечные и плоскостные.
У точечного германиевого
диода (рис. 10.8, а) помещен
кристалл германия с электронвнеш ние вы воды
ной проводимостью, в который
изолятор
острием входит контактный
корпус
пружинящий вывод анода. Под
вы вод анода
контактным острием в резульприпой
тате специальной термической
обработки создается область с
кристалл
дырочной проводимостью.
В плоскостном германиевом
кристаллодерж атель
диоде
(рис. 10.8, б) на пластину
внеш ние вы воды
германия с электронной проРис. 10.8. Конструкция германиевого диода:
водимостью накладывается
а — точечного; б — плоскостного
таблетка из индия. Она в процессе изготовления диода нагревается до 500°С и плавится так, что ее
атомы диффундируют в германий, образуя область с дырочной проводимостью.
На границе двух областей (с электронной и дырочной проводимостью) появляется запирающий р-n-переход. Как в точечном, так и в
плоскостном диоде германий припоем укреплен на кристаллодержателе, к которому приварен вывод катода (нижний).
Вывод анода также припоем укрепляется в области с дырочной проводимостью и выводится наружу в верхней части диода. Металлический
корпус сварен с кристаллодержателем и стеклянным изолятором.
Кремниевые диоды отличаются от германиевых не только материалом полупроводника, но и некоторыми преимуществами, а именно:
более высокой предельной температурой;
существенно меньшим обратным током;
более высоким пробивным напряжением.
Однако сопротивление кремниевого вентиля в прямом направлении значительно больше, чем германиевого.
ДЕСЯТЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
293
Селеновый вентиль состоит из алюминиевого диска, с одной стороны покрытого слоем кристаллического селена, обладающего дырочной проводимостью, который служит одним электродом.
Другим электродом является нанесенный на селен слой сплава кадмия и олова, при диффузии из которого атомов кадмия в селен образуется слой, обладающий электронной проводимостью.
Селеновые вентили имеют значительно меньшие обратные напряжения (до 60 В) и плотности тока (0,1—0,2 А/см2), чем германиевые и
кремниевые. Так что их габариты и масса значительно больше.
Однако характеристики селеновых вентилей более стабильны, что
позволяет соединять их последовательно и параллельно для увеличения обратных напряжений и прямых токов.
Кроме того, селеновые вентили обладают свойством самовосстановления, которое сводится к следующему: если через пробитую шайбу
пропустить большой ток, то селен нагревается и плавится, закрывая
место пробоя и восстанавливая вентильное свойство диода.
Медно-закисный вентиль состоит из медного диска со слоем закиси
меди, к которому прилегает для получения хорошего контакта свинцовый диск с латунным радиатором большого диаметра. Слой закиси
меди образуется при термической обработке меди в атмосфере кислорода. Наружный слой закиси меди, полученный при избытке кислорода, обладает дырочной проводимостью, а слой закиси, полученной
при недостатке кислорода, — электронной проводимостью. Между,
этими двумя слоями закиси меди возникает р-n-переход.
Медно-закисные вентили имеют низкие обратные напряжения
(10 В) и плотности тока (0,1 А/см2) и в преобразовательных устройствах не используются. Их применение ограничено измерительными
приборами в силу стабильности их характеристик.
10.2. Транзисторы
Первое знакомство
Определение.
Транзистором называется полупроводниковый прибор c двумя p-nпереходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических колебаний и представляющий собой пластину кремния
или германия, состоящую из трех областей.
294
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
эм иттерны й
переход
коллекторны й
переход
коллекторны й
переход
эм иттерны й
переход
а
эм иттер
n
В
Iэ
p
С
коллектор
Iк
PK
база
Uэб
Ес
n
Д
+
Iб
Е кб
–
Э
К
Rн
Б
б
эм иттерны й
коллекторны й
В –Принцип
инж екцияработы
(введние)и условное обозначение
Рис. 10.9.
переходтранзистора
переход n-р-n
Са–—
экстракция
(сбор)
принцип работы; б — условное графическое обозначение
Д – диф ф узия ды рок
p
n
p
РК – реком бинация ды рок и электронов
эм иттер В
коллектор
Д
С
Iк
PK
Iэ
база
Uэб
Ес
Rн
U кб
Iб
Е эб
Е кб
–
–
коллекторны й
переход
p
В
p
С
Uэб
Iк
+
Е эб
–
база
Iб
U кб
Е кб
В – инж екция (введние)
С – экстракция (сбор)
Д – диф ф узия ды рок
РК – реком бинация ды рок и электронов
коллектор
PK
Iэ
Ес
n
Д
+
а
эм иттер
–
Rн
+
+
Транзисторы, у которых крайние области обладают дырочной, а
средняя электронной проводимостями — транзисторами р-n-р-типа
(рис. 10.10).
эм иттерны й
переход
Б
В – инж екция (введние)
С – экстракция (сбор)
Д – диф ф узия ды рок
РК – реком бинация ды рок и электронов
+
Е эб
–
U кб
К
+
+
Две крайние области всегда обладаютn одинаковым
типом провоp
n
эм
иттер
коллектор
димости, а средняя — противоположной Впроводимостью.
Д
С
I
Транзисторы, у которых крайниеэ области обладают
электронной
Iк
PK
Э
база
проводимостью, а средняя — дырочной
проводимостью,
называются
Uэб
Ес
Rн
U кб
Е кб
Iб
транзисторами n-р-n-типа (рис. 10.9). –Е эб
–
Э
К
Б
б
Рис. 10.10.
В –Принцип
инж екция работы
(введние)и условное обозначение транзистора p-n-p
Са –—экстракция
(сбор) б — условное графическое обозначение
принцип работы;
Д – диф ф узия ды рок
РК – реком бинация ды рок и электронов
Физические процессы, происходящие в транзисторах двух типов,
аналогичны. Различия между ними заключается в следующем:
полярности включения источников питания противоположны;
если в транзисторе n-p-n-типа электрический ток создается в
основном электронами, то в транзисторе р-n-р-типа — дырками.
Принцип действия транзистора
Смежные области, отделенные друг от друга p-n-переходами, называются эмиттером Э, базой Б и коллектором К.
Э
К
Б
ДЕСЯТЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
295
Эмиттер является областью, испускающей (эмитирующей) носители зарядов электронов в транзисторе n-p-n-типа и дырок в транзисторе р-n-р-типа. Коллектор — область, собирающая носители зарядов. База — средняя область, основание.
В условиях работы транзистора к левому p-n-переходу прикладывается напряжение эмиттер-база Ua в прямом направлении, а к
правому р-n-переходу — напряжение база-коллектор UK — в обратном.
Под действием электрического поля большая часть носителей
зарядов из левой области (эмиттера), преодолевая p-n-переход,
переходит в очень узкую среднюю область (базу). Далее большая
часть носителей зарядов продолжает двигаться ко второму переходу
и, приближаясь к нему, попадает в электрическое поле, созданное
внешним источником UK.
Под влиянием этого поля носители зарядов втягиваются в правую
область (коллектор), увеличивая ток в цепи батареи UK.
Если увеличить напряжение Uэ, то возрастет количество носителей
зарядов, перешедших из эмиттера в базу, т. е. увеличится ток эмиттера
на некоторую величину ∆Iэ. При этом также увеличится ток коллектора на величину ∆IK.
В базе незначительная часть носителей зарядов, перешедших из
эмиттера, рекомбинирует со свободными носителями зарядов противоположной полярности, убыль которых пополняется новыми носите
зарядов из внешней цепи, образующими ток базы Iб.
Таким образом, ток коллектора Iк = Iэ – I6 окажется меньше тока,
эмиттера, незначительно отличаясь от последнего. Отношение α =
∆IK/∆Iэ при UK = const называется коэффициентом усиления по току
и обычно имеет значение
α = 0,9—0,995.
Если цепь эмиттер-база разомкнута и ток в ней равен нулю Iэ = 0,
а между коллектором и базой приложено напряжение UK, то в цепи
коллектора будет проходить небольшой обратный (тепловой) ток Iко,
обусловленный неосновными носителями зарядов.
Этот ток в существенно зависит от температуры, и является одним
из параметров транзистора (меньшее его значение соответствует лучшим качествам транзистора).
Так как левый (эмитерный) р-n-переход находится под прямым
напряжением, то он обладает малым сопротивлением. На правый же
296
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
(коллекторный) р-n-переход воздействует обратное напряжение и он
имеет большое сопротивление.
Примечание.
Поэтому напряжение, прикладываемое к эмиттеру, весьма мало
(десятые доли вольта), а напряжение, подаваемое на коллектор, может быть достаточно большим (до нескольких десятков
вольт).
Изменение тока в цепи эмиттера, вызванное малым напряжением
Uэ, создает примерно такое же изменение тока в цепи коллектора, где
действует значительно большее напряжение Uк. В результате этого
транзистор осуществляет усиление мощности.
При работе транзистора в качестве усилителя электрических колебаний входное переменное напряжение Uвх (сигнал, подлежащий усилению) подают последовательно с источником постоянного напряжения смещения Uсм между эмиттером и базой, а выходное напряжение
Uвых (усиленный сигнал) снимается с нагрузочного резистора Rн.
Схемы включения транзисторов
Возможны три схемы включения транзисторов n-р-n-типа и р-n-ртипа (рис. 10.11 и рис. 10.12): с общей базой ОБ, с общим эмиттером
ОЭ и с общим коллектором ОК.
Примечание.
Название схемы показывает, какой электрод транзистора является общимдля входной и выходной цепей. Схемы включения транзисторов отличаются своими свойствами, но принцип усиления
колебаний остается одинаковым.
В схеме с общей базой ОБ положительное приращение напряжения на входе ∆UВх вызывает увеличение тока эмиттера Iэ, что приводит к увеличению как тока коллектора Iк, так и напряжения выхода
∆Uвых, причем ∆Uвых >> ∆Uвх.
В схеме с ОБ источник входного напряжения включен в цепь эмиттербаза, а нагрузка и источник питания — в цепь коллектор-база.
Входное сопротивление схемы с ОБ мало (несколько омов или
десятков омов), так как эмиттерный переход включен в прямом
ДЕСЯТЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
Uсм
Uвы х
Rн
Uк
+
Iб
Iэ
Iк
Iб
Iэ
Uвы х
Rн
Uк
~Uвх
Uсм
+ –
+ –
–
а
–
~Uвх
Iк
+
Iэ
297
Iб
Iк Uвы х
Rн
Uк
+ –
~Uвх
Uсм
+ –
б
в
Рис. 10.11. Схемы включения транзисторов структуры n-p-n
а — с общей базой; б — с общим эмиттером; в — с общим коллектором
Uсм
+ –
а
~Uвх
Iэ Uвы х
Rн
Uк
+ –
б
Iэ
Iб
Iк
Uвы х
Rн
Uк
~Uвх
Uсм
+ –
Uсм
+ –
Iб Uвы х
Rн
Uк
+ –
Iк
Iб
–
~Uвх
Iк
+
Iэ
в
Рис. 10.12. Схемы включения транзисторов структуры p-n-p
а — с общей базой; б — с общим эмиттером; в — с общим коллектором
направлении. Выходное сопротивление схемы, наоборот, велико
(сотни килоомов), так как коллекторный переход включен в обратном
направлении.
Малое входное сопротивление схемы с ОБ является существенным
ее недостатком, ограничивающим применение ее в усилителях. Через
источник входного сигнала в этой схеме проходит весь ток эмиттера,
и усиления по току не происходит (коэффициент усиления по току
α 0
Iб
эмиттером и коллектором, т. е. Iб = f (Uэб)
при Uэк = const.
Uэк=0
Выходной цепью для этой схемы являU’’эк>U’эк
ется цепь коллектора и выходной характеристикой — зависимость тока коллектора
от напряжения эмиттер-коллектор при
Uэб
неизменном токе базы, т. е. Iк = f (Uэк) при
Рис. 10.13. Входные
Iб = const.
статические характеристики
транзистора типа p-n-р,
На рис. 10.13 и рис. 10.14 показан привключенного по схеме с общим
мерный вид входных и выходных характеэмиттером
ристик транзистора типа p-n-р.
Iк
Iб’’>Iб’’
При малых значениях напряжения
между эмиттером и базой (Uэб) ток базы
Iб’’>Iб’
растет медленно из-за большого сопроIб’>0
тивления p-n-перехода, которое с увеличением тока уменьшается.
Iб=0
Uэк
С увеличением коллекторного напряжеIко
ния Uэк входные характеристики смещаРис. 10.14. Выходные
ются вправо, т. е. с увеличением Uэк необстатические
ходимо повысить напряжение Uэб, для того
характеристики
транзистора типа p-n-р,
чтобы ток базы остался неизменным.
включенного по схеме с
Выходные характеристики показывают,
общим эмиттером
что в рабочей области напряжение Uэк незначительно влияет на коллекторный ток Iк, так как в основном он зависит
от количества дырок, инжектируемых в базу, т. е. от тока эмиттера.
Плоскостной германиевый транзистор
Устройство плоскостного германиевого транзистора р-n-р-типа
показано на рис. 10.15. Базой является пластина из кристаллического
германия с электронной проводимостью. С двух сторон в пластину
вплавлены индиевые электроды, служащие эмиттером и коллектором.
При плавлении индия между каждым из этих электродов и германиевой пластиной — базой образуются области с дырочной проводимостью и создаются эмиттерный и коллекторный р-n-переходы.
Коллектор крепится на кристаллодержателе, от которого наружу
проходит вывод коллектора. Выводы от эмиттера и базы изолированы
от корпуса стеклянными проходными изоляторами.
Транзистор помещается в металлический корпус.
300
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
вы вод базы
эм иттер
база
вы вод эм иттера
эм иттерны й переход
вы вод
коллектора
коллектор
кристаллодерж атель
коллекторны й переход
Рис. 10.15. Устройства плоскостного германиевого транзистора типа р-n-р
Сравнение транзисторов и электронных ламп
Транзисторы, по сравнению с электронными лампами, имеют следующие преимущества:
большую механическую прочность и долговечность;
постоянную готовность к работе;
малые габариты и массу;
низкое напряжение питания и высокий КПД.
Кроме того, у транзисторов отсутствует цепь накала и, следовательно, упрощена схема и нет потребления мощности для разогрева
катода.
К недостаткам транзисторов относится:
зависимость режима работы его от температуры окружающей
среды;
небольшая выходная мощность;
чувствительность к перегрузкам;
разброс параметров, вследствие которого отдельные транзисторы одного типа значительно отличаются друг от друга по своим
параметрам;
большое различие между входными и выходными сопротивлениями.
ДЕСЯТЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
301
10.3. Тиристоры
Первое знакомство
Определение.
Четырехслойный кремниевый вентиль с двумя электродами (анодом и катодом) называется динистором. Если кроме анода и
катода имеется третий (управляющий) электрод, то вентиль
становится управляемым и называется тиристором.
Тиристор, а также динистор имеют четыре
слоя — р-n-р-n (рис. 10.16), между которыми
находятся три p-n-перехода П1, П2, П3.
У тиристора от средней области р имеется
вывод — управляющий электрод У.
При отключенном управляющем электроде тиристор превращается в динистор.
+
A
p
n
i1
U
–
p
i2
+
–
Rн
n K
i3
У
Рис. 10.16. Принцип
действия тиристора
Принцип действия тиристора
Iу=0
Iу1>0
Iу2>Iу1
Если между анодом и катодом вентиля приложено небольшое
постоянное напряжение в прямом направлении, то переходы П1 и П3
будут открытыми, а их сопротивление мало. Переход П2 будет включен в обратном (непроводящем) направлении и его сопротивление
велико, так что все приложенное к тиристору напряжение будет практически на переходе П2, а ток в цепи мал.
При повышении напряжения U на тиристоре ток в цепи увеличивается незначительно, так как ограничивается большим сопротивлением перехода П 2.
I
в
Вольтамперная характеристика тиристора подобна
А
обратной ветви характеуэ
К
б
ристики диода (кривая Оа
а
Iус
на рис. 10.17).
Iуд
U
Е с л и н а п р я ж е н и е Uобр
0
Uп1
Uп
Uп2
до с тигне т некоторого
определенного значения,
Iобр
называемого напряжением
Рис. 10.17. Вольтамперная характеристика
переключения U пер, то в
тиристора и его условное обозначение
302
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
переходе П2 напряженность электрического поля становится достаточной для ионизации и образования новых свободных носителей
зарядов (электронов и дырок), его сопротивление резко уменьшается,
и тиристор открывается.
Напряжение на открытом тиристоре (участок бв вольтамперной
характеристики) мало (порядка 1—2 В) и почти неизменно, так что
ток в цепи ограничивается сопротивлением внешней нагрузки.
Наибольший ток тиристора лимитируется предельно допустимой
мощностью, рассеиваемой им. Если уменьшать ток через открытый
тиристор, то он будет оставаться открытым до тех пор, пока ток в
тиристоре достаточен для поддержания процесса образования носителей зарядов в переходе П2.
При токе, меньше определенного значения, называемого током
удержания Iуд, тиристор закрывается, т. е. возвращается в непроводящее состояние.
Если на управляющий электрод подать положительный потенциал
от постороннего источника, то в переходе П3 возникнет ток управления и появятся дополнительные носители зарядов. Вследствие этого
уменьшится напряжение переключения этого перехода, и тиристор
открывается при меньшем напряжении Uп1.
Примечание.
Чем больше ток управления Iу , тем больше дополнительных зарядов в переходе П3 и меньше напряжение переключения тиристора.
При определенном значении тока управления, называемом током
спрямления Iус тиристор будет работать как неуправляемый вентиль,
т. е. будет открыт при любом положительном напряжении на его
аноде.
Таким образом, тиристор открывается как при подаче на его анод
напряжения переключения, так и при включении тока управления
достаточной величины Iус.
Так как управляющий электрод после открытия тиристора перестает оказывать влияние на его работу, то в цепи управляющего
электрода проходит кратковременный импульс тока прямоугольной
формы и длительностью примерно 10 мкс.
При подаче на зажимы тиристора обратного напряжения U обр он
будет закрыт обратно включенными переходами П1 и П3 независимо
от управляющего тока и его вольтамперная характеристика практиче-
ДЕСЯТЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
303
ски не отличается от обратной ветви вольтамперной характеристики
неуправляемого вентиля (рис. 10.18).
Тиристоры имеют два устойчивых состояния:
при закрытом тиристоре его сопротивление очень велико
(R≈∞);
при открытом тиристоре его сопротивление мало (R≈ 0).
Поэтому тиристоры находят применение как бесконтактные переключатели в инверторах, регулируемых выпрямителях, в схемах
защиты и т. д.
Устройство тиристора
Конструкция мощного тиристора
показана на рис. 10.18. Четырехслойная
кристаллическая структура, укрепленная на кристаллодержателе, помещена
в металлическом корпусе, в нижней
части которого находится резьбовой
вывод катода. К верхнему р-слою припоем крепится плетеный вывод анода.
В среднюю р-область вводится вывод
управляющего электрода. Выводы
анода и управляющего электрода укрепляют в корпусе изолятором.
вы вод
управляю щ его
электрода
вы вод анода
изолятор
припой
кристаллическая структура
кристаллодерж атель
корпус
вы вод катода
Рис. 10.18. Конструкция мощного
тиристора
10.4. Ионизация газа и электрический заряд.
Фотоэлементы
Ионизация газа и электрический заряд
В отличие от электронных (вакуумных) ламп в ионных или газоразрядных приборах ток создается не только направленным перемещением свободных электронов, но и вследствие перемещения заряженных частиц газа или паров ртути — ионов.
304
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
В обычных условиях газ содержит ничтожное количество свободных электронов и ионов (носителей зарядов) и абсолютное большинство атомов и молекул газа электрически нейтральны (не заряжены).
Поэтому в обычных условиях газ является хорошим диэлектриком.
Проводимость газа может быть вызвана его ионизацией сильным
электрическим полем, высокой температурой, радиоактивными и космическими лучами. Газ становится проводником, если он содержит
большое количество носителей заряда — свободных электронов и
ионов.
Определение.
Процесс образования носителей зарядов называется ионизацией
газа.
Ионные приборы наполнены разреженным газом или парами
ртути. При своем движении электроны сталкиваются с атомами газа
или ртутного пара. При соударении электроны отдают часть своей
энергии атомам газа. При достаточно большой скорости электрона
энергия, полученная атомом, оказывается достаточной для его возбуждения или ионизации.
В возбужденном атоме один из его электронов под действием
полученной при соударении энергии переходит на более высокий
энергетический уровень (на более удаленную от ядра орбиту). Из-за
неустойчивости этого положения очень быстро возвращается на свой
прежний уровень, выделяя избыток энергии в виде светового излучения, так что газ будет светиться.
Если энергия, полученная атомами в результате соударения, достаточна для их расщепления на электроны и ионы, то происходит ионизация газа. Скорость движения электронов и их кинетическая энергия
зависят от напряжения, т. е. возбуждение и ионизация атомов газа
происходит при определенных значениях потенциала возбуждения Uв
и потенциала ионизации Uи, причем Uи > Uв. Так, например, для паров
ртути Uв = 5 В, Uи = 10 В.
Определение.
Процесс образования носителей зарядов в результате столкновения свободных электронов с атомами газа называется ионизацией
соударением, или ударной ионизацией.
ДЕСЯТЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
305
В результате соударения свободные электроны могут выбить электроны из нейтральных молекул (атомов) или присоединиться к ним.
В первом случае образуются ионы, положительно заряженные, во втором — отрицательно заряженные.
Под действием электрического поля, созданного напряжением,
приложенным к электродам прибора, носители зарядов перемещаются
в направлении электрического поля (от положительного электрода
к отрицательному — положительные ионы, и в противоположном
направлении — электроны и отрицательно заряженные ионы).
С увеличением приложенного напряжения возрастают скорости
движения носителей зарядов.
При непрерывной ионизации газа с постоянной интенсивностью
помимо расщепления атомов газа на электроны и ионы происходит
обратный процесс их частичного соединения (рекомбинация), т. е.
превращения в нейтральные атомы, и число носителей зарядов в единице объема остается постоянным.
Если напряжение между электродами ионного прибора (анодом и
катодом) увеличить до определенной величины, называемой напряжением зажигания Uз, то скорость электронов и их кинетическая
энергия становятся достаточными, чтобы при столкновении с нейтральными атомами ионизировать их.
Тлеющий разряд
Вновь полученные вторичные заряды также ионизируют нейтральные атомы газа, т. е. процесс ионизации развивается лавинообразно.
Промежуток между электродами заполняется ионизированным
газом — газовой плазмой, обладающей высокой проводимостью.
При этом число свободных электронов, а также ток через прибор резко
возрастают, и начинается тлеющий разряд, переходящий в самостоятельный, не требующий внешнего ионизатора для его поддержания.
Тлеющий разряд сопровождается свечением газа и характерным
шипящим звуком. Поддерживается тлеющий разряд при определенном напряжении между электродами, которое немного меньше напряжения зажигания (на несколько вольт). При таком напряжении положительные ионы, имеющие относительно большую массу, ударяются
о поверхность катода, нагревают его и выбивают из него вторичные
электроны, которые, двигаясь к аноду, ионизируют атомы газа, поддерживая ток в приборе.
306
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
Если напряжение между анодом и катодом окажется меньше необходимого, то скорость движения положительных ионов уменьшается,
так что они не могут выбить из катода электроны, вследствие чего
процесс ионизации может прекратиться.
Тлеющий разряд используется в неоновых и цифровых лампах,
тиратронах, стабилитронах и других приборах.
Дуговой разряд
Если в приборе с тлеющим разрядом увеличить ток сверх определенного, наибольшего допустимого значения, то возникнет дуговой
разряд, который опасен для прибора тлеющего разряда, так как вызывает разрушение катода вследствие бомбардировки его тяжелыми
положительными ионами с большой силой.
При дуговом разряде плотность тока значительно больше, чем при
тлеющем разряде. Таким образом, дуговой разряд может возникнуть
при тлеющем разряде, если напряжение на разрядном промежутке
повысить до некоторого значения, называемого напряжением зажигания дуги. При этом дуга поддерживается вследствие термоэлектронной эмиссии катода, раскаленного ударами положительных ионов, и
разряд называется самостоятельным.
Если термоэлектронная эмиссия катода создается нагревом катода
от постороннего источника питания, то дуговой разряд будет несамостоятельным.
Электрическая дуга возникает как в разряженном газе, так и при
нормальном давлении. Если сблизить два электрода до их соприкосновения, то место их соприкосновения сильно нагревается проходящим током, обеспечивая ионизацию междуэлектродного промежутка
и возникновение дуги при раздвинутых электродах.
Электрическая дуга имеет очень высокую температуру и яркость,
которые увеличиваются с повышением напряжения. Впервые электрическая дуга, открытая русским ученым В. В. Петровым в 1802 г.,
используется в электросварке, электрических печах, мощных прожекторах в качестве ламп и др.
Сходство с дуговым разрядом имеет искровой разряд, при котором происходит кратковременный (импульсный) пробой промежутка
между двумя электродами.
Кроме перечисленных выше видов электрического разряда в практике можно часто наблюдать коронный разряд, который возникает
ДЕСЯТЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
307
на поверхности проводов малого сечения или на заостренных концах
проводов, т. е. там, где образуются значительные напряженности электрического поля.
При некотором критическом значении напряженности поля возникает тихий разряд, вызванный ионизацией газа и сопровождаемый
слабым свечением, заметным в темноте. Такой разряд называется
короной.
Газотрон
Газотрон представляет собой двухэлектродный ионный или газоразрядный прибор, предназначенный для выпрямления переменного
тока. Стеклянный (или металлический) баллон газотрона после создания в нем вакуума заполняется парами ртути или
инертным газом при низком давлении. Внутри
вы вод анода
анод
баллона помещены два электрода (рис. 10.19).
колба
катод
Анод газотрона выполняют из никеля или
графита и вывод анода располагают в верхней
анод
части колбы, катод вольфрамовый, покрыт слоем
оксида.
В мощных газотронах катод помещается внукатод
три цилиндрического экрана для уменьшения
Рис. 10.19. Газотрон
тепловых потерь. Для разогрева катода он включается на низкое напряжение накала, величина которого составляет
2,5 В при ртутном наполнении и 5 В при заполнении баллона инертным газом.
Внимание.
Более высокое напряжение накала недопустимо, так как может возникнуть дуга между концами катода.
Ионизация газа или паров ртути может произойти при напряжении, значительно меньшем потенциала зажигания под действием
последовательного ступенчатого возбуждения атомов. Таким образом, ток накала оказывается большим (амперы и десятки ампер), значительно больше анодного тока, время разогрева катода составляет от
нескольких минут до двух-трех десятков минут.
С повышением анодного напряжения от нуля в газотроне возникает небольшой электронный ток, как и в вакуумном диоде, так как
308
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
электроны в слабом электрическом поле
перемещаются от катода к аноду с малой
Uр
скоростью, недостаточной для ионизации
газа. Этому режиму работы соответствует
начальный участок вольтамперной характеристики (рис. 10.20).
При повышении анодного напряжения до значения, равного потенциалу
зажигания Uз, электроны под действием
0
Imax I
электрического поля развивают скорости,
Рис. 10.20. Вольтамперная
достаточные для возбуждения ионизации
характеристика газотрона
атомов газа или паров ртути, т. е. в приборе начнется процесс ионизации газа, вследствие чего образуется
плазма и возникает дуговой разряд.
Напряжение анода газотрона при его зажигании несколько уменьшается до рабочего напряжения Up, после чего остается почти неизменным при изменении тока в газотроне.
Падение напряжения на открытом газотроне состоит из падения
вблизи анода, в плазме и вблизи катода, которое всегда значительно
больше первых двух и составляет 10—20 В.
U
Uз
Внимание.
Увеличение анодного тока больше максимального значения недопустимо, так как при этом увеличивается падение напряжения
вблизи катода и тяжелые положительные ионы с большой силой
ударяют в катод, в результате чего разрушается активный слой и
газотрон выходит из строя.
Недостатком газотронов является большая чувствительность к изменению напряжения накала, которое допускается в пределах от +10 до –5%
от номинального. Повышение напряжения накала выше номинального
ведет к распылению катода и уменьшает срок работы газотрона.
При напряжении накала меньше номинального снижается температура катода и уменьшается скорость электронов, вылетевших из
катода, в результате чего увеличивается катодное падение напряжения и уменьшается допустимый максимальный ток, т. е. разрушение
катода начинается при меньшем анодном токе. Разрушение катода
также будет происходить, если включить нагрузку при недостаточно
нагретом катоде.
ДЕСЯТЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
309
Поэтому перед включением нагрузки катод должен быть прогрет в
течение времени, указанного в паспортных данных газотрона.
Новые газотроны перед их включением подвергаются прогреву
с малым анодным током (жестчению) для удаления налетов и пятен,
которые могут оказаться на электродах при производстве газотронов.
При наполнении парами ртути газотроны имеют больший срок
службы, чем при наполнении инертным газом. Но при ртутном наполнении газотроны более чувствительны к изменению температуры
окружающей среды.
Фотоэлементы с внешним фотоэффектом
Определение.
Фотоэлементом называется электровакуумный, полупроводниковый или ионный прибор, в котором воздействие лучистой энергии оптического диапазона вызывает изменение его электрических
свойств.
+
Внешний фотоэффект или фотоэлектронная эмиссия заключается
в том, что источник излучения сообщает части электронов дополнительную энергию, достаточную для выхода их вещества в окружающую среду (в вакуум или разреженный газ).
В вакуумных или электронных
фотоэлементах движение происходит
анод
колба
в вакууме, в газонаполненных или
ф отокатод
ионных фотоэлементах электроны световой
поток
перемещаются в разреженном газе и
ионизируют атомы газа.
пластм ассовы й
Фотоэлемент с внешним фотоэфцоколь
фектом (рис. 10.21) имеет стеклянную колбу, в которой создан вакуум (в
вакуумном фотоэлементе) или после
откачки воздуха колба заполнена разреженным газом (аргоном при низком контактны й
контактны й
ш ты рь
ш ты рь
давлении — в ионных фотоэлементах).
–
Внутренняя поверхность колбы,
за исключением небольшого «окна»
Рис. 10.21. Фотоэлемент
с внешним фотоэффектом
для прохождения светового потока,
310
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
покрыта фотокатодом, который представляет собой слой серебра (подложка), на который нанесен полупроводниковый слой окиси цезия.
Анод фотоэлемента изготовляют в виде кольца, чтобы он не преграждал путь световому потоку к катоду. Колба помещается в пластмассовом цоколе, в нижней части которого находятся контактные
штырьки с выводами от анода и катода.
Под действием приложенного напряжения U источника питания
между анодом и катодом фотоэлемента создается электрическое поле,
и электроны, вылетающие с освещенной поверхности катода, направляются к положительно заряженному аноду.
Таким образом, в цепи установится фототок Iф, зависимость которого от светового потока Ф при неизменном напряжении источника
питания называется световой характеристикой. В ионном фотоэлементе электроны ионизируют атомы газа и увеличивают поток электронов, т. е. увеличивают ток фотоэлемента, повышая его чувствительность.
Фотоэлектронная эмиссия и фототок фотоэлемента зависят от
длины волны светового излучения, поэтому помимо световой чувствительности фотоэлементы характеризуются спектральной чувствительностью.
Анодные вольтамперные характеристики фотоэлементов показывают зависимость фототока от приложенного к зажимам фотоэлемента напряжения при неизменном световом потоке, освещающем
фотокатод, т. е. Iф = f (U) при Ф = const.
У электронного фотоэIф , м кА
Iф , м кА
лемента фототок сначала
Ф 2>Ф 1
Ф 2>Ф 1
15
быстро растет при увеличеФ1
нии напряжения, а затем рост
10
его замедляется и, наконец,
Ф1
5
почти совсем прекращается,
U, B
U, B
т. е. наступает режим насы0
100
200
100
200
щения (рис. 10.22, а).
а
б
Для ионных фотоэлеменРис. 10.22. Анодные вольтамперные
характеристики фотоэлементов:
тов анодная вольтамперная
электронного (а); ионного (б)
характеристика после горизонтального участка (электронный ток) поднимается вверх при ионизации газа (рис. 10.22, б).
В процессе работы фотоэлементов их параметры со временем изменяются, т. е. проявляется свойство их «утомляемости».
ДЕСЯТЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
311
Обычно фотоэлементы используют совместно с ламповыми или
транзисторными усилителями вследствие малого значения фототока,
который может быть получен от фотоэлемента.
Наряду с фотоэлементами существуют фотоэлектронные приборы
с усилением фототока, называемые фотоэлектронными умножителями. Эти приборы с внешним фотоэффектом, в которых фототок
усиливается под действием вторичной электронной эмиссии.
Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом
и с запирающим слоем
Внутренний фотоэффект заключается в том, что источник излучения световой энергии вызывает увеличение энергии у части электронов вещества, ионизацию атомов и образование новых носителей
зарядов (электронов и дырок), вследствие чего уменьшается электрическое сопротивление освещаемого материала.
Если при внешнем фотоэффекте электроны покидают пределы
освещаемого вещества, то при внутреннем фотоэффекте они остаются внутри вещества, увеличивая количество носителей электрических зарядов.
Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом называются фоторезисторами (фотосопротивлениями). Они представляют собой полупроводниковые приборы, электрическое сопротивление которых резко
изменяется под действием падающего на них светового излучения.
В качестве полупроводников применяют сернистый свинец (фоторезистор ФСА), селенид кадмия (фоторезистор ФСД), сернистый кадмий (фоторезистор ФСК).
Фоторезисторы ФСА применяются в инфракрасной, а остальные — в видимой области света. Чувствительность фоторезисторов
значительно выше чувствительности фотоэлементов с внешним фотоэффектом, так что в ряде устройств фоторезисторы заменяют ранее
используемые фотоэлементы с внешним фотоэффектом.
Фоторезистор представляет собой (рис. 10.23, а) стеклянную пластинку, на которую нанесен тонкий слой полупроводника, покрытый
прозрачным лаком для защиты от механических повреждений и влаги.
По краям выведены два металлических электрода. Фоторезистор
помещен в пластмассовый корпус с двумя штырьками, к которым
присоединяются электроды. Условное обозначение и схема включения
фоторезистора показаны на рис. 10.23, б.
312
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
I
Iс
ФР
Iф
–
U
б
а
Iт
Rн
U
+
электроды
слой полупроводника
пластинка
б
Рис. 10.23. Фоторезистор:
а — схема устройства; б — схема включения и условное обозначение ФР;
в — вольтамперная характеристика
Фоторезистор работает только от внешнего источника питания и
имеет одинаковое сопротивление в обоих направлениях.
Неосвещенный фоторезистор обладает большим «темновым»
сопротивлением Rт (от сотен килоом до нескольких мегаом) и через
него проходит малый «темновой» ток Iт.
При освещенном фоторезисторе его сопротивление резко уменьшается, и ток увеличивается до некоторого значения Iс, зависящего от
интенсивности освещения. Разность между токами при освещении и
«темновым» называется фототоком, т. е.
Iф = Iс – Iт.
Вольтамперная характеристика фоторезистора (рис. 10.23, в), т. е.
зависимость фототока от напряжения источника питания при неизменном световом потоке Iф = f (U) при Ф = const линейна.
Видно, что прямая затененной зоны идет более полого, чем освещенного. Это говорит о меньшей чувствительности неосвещенного
элемента.
К недостаткам фоторезисторов относится:
инерционность (при освещении фототок не сразу достигает своего конечного значения, а лишь через некоторое время):
нелинейность световой характеристики (фототок возрастает
медленнее, чем сила света);
зависимость электрического сопротивления и фототока от температуры окружающей среды.
Фотоэлементы с фотоэффектом в запирающем слое, называющиеся вентильными фотоэлементами, имеют запирающий слой между
полупроводниками с р- и n-проводимостями. В этих фотоэлементах
под воздействием светового излучения возникает ЭДС, называемая
фото-ЭДС.
Для изготовления вентильных фотоэлементов применяют селен,
сернистый таллий, сернистое серебро, германий и кремний.
ДЕСЯТЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
313
Освещение поверхности фотоэлемента вблизи р-n-перехода вызывает ионизацию атомов кристалла и образование новых пар свободных носителей зарядов — электронов и дырок.
Под действием электрического поля р-n-перехода образующиеся в
результате ионизации атомов кристалла электроны переходят в слой
n, а дырки — в слой р, что приводит к избытку электронов в слое n и
дырок в слое р.
Под действием разности потенциалов (фото-ЭДС) между слоями
р и n во внешней цепи проходит ток I, направленный от электрода р
к электроду n. Этот ток зависит от количества носителей зарядов —
электронов и дырок, т. е. от силы света.
Чувствительность вентильных фотоэлементов высока (до 10 мА/лм),
они не требуют источника питания и находят широкое применение
в различных областях электроС вет
ники, автоматики, измерительной технике и т. д.
слой полупроводника
Принцип устройства кремнипластина крем ния
евого фотоэлемента с запирающим слоем показан на рис. 10.24.
R
На пластину кремния с при–
+
месью, создающей электронную
Схема устройства кремниевого
проводимость, вводят примесь Рис. 10.24.
вентильного фотоэлемента
бора путем диффузии в вакууме.
В результате этого образуется слой полупроводника с дырочной проводимостью очень малой толщины, так что световые лучи свободно
проникают в зону перехода.
Батареи кремниевых элементов находят применение для непосредственного преобразования солнечной энергии в электрическую. Такие
преобразователи, называемые солнечными батареями, применяют,
например, на искусственных спутниках Земли для питания их аппаратуры.
Полупроводниковый фотоэлемент с двумя электродами, разделенными р-n-переходом, называемый фотодиодом, может работать как
с внешним источником питания (преобразовательный режим), так и
без внешнего источника (генераторный режим).
При работе в генераторном режиме фотодиода его освещение
вызывает возникновение фото-ЭДС, под действием которой во внешней цепи через нагрузку проходит ток, т. е. источником питания является фотодиод.
314
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
При работе в фотопреобразовательном режиме напряжение внешнего источника питания приложено встречно фото-ЭДС и фотодиод
подобен фоторезистору с более высокой чувствительностью.
Если фотодиод не освещен, то через него проходит небольшой
обратный ток (темновой ток) под действием внешнего источника
питания. При освещении электронной области фотодиода образуются носители зарядов — электроны и дырки. Дырки доходят до р-nперехода и под действием электрического поля переходят в р-область,
т. е. освещение вызывает увеличение числа перешедших неосновных
носителей из n-области в р-область, и, следовательно, ток в цепи возрастает (возникает фототок).
10.4. Вопросы для тестирования
Вопрос №1.
В каких схемах нецелесообразно использовать транзисторы?
a) В схемах генерации высокочастотных колебаний; б) в схемах усиления мощности сигналов; в) в схемах выпрямления переменных токов;
г) во всех целесообразно.
Вопрос №2.
При каких значениях светового потока фоторезистор обладает максимальной чувствительностью?
a) При малых; б) при больших; в) при средних; г) чувствительность
не зависит от светового потока.
Вопрос №3.
Какой пробой опасен для электронно-дырочного перехода (р-nперехода)?
a) Тепловой; б) электрический; в) тот и другой; г) никакой не опасен.
Вопрос №4.
Управляемые выпрямители выполняются на базе:
a) ... диодов; б) ... стабилитронов; в) ... биполярных транзисторов;
г) ... тиристоров.
ДЕСЯТЫЙ ШАГ. Знакомьтесь: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ И ГАЗОРАЗРЯДНЫЕ ПРИБОРЫ
315
Вопрос №5.
Как называют средний слой у биполярных транзисторов?
a) Эмиттер; б) коллектор; в) база; г) точка смещения.
Вопрос №6.
Укажите полярность напряжения:
а) на эмиттере транзистора типа р-n-р;
б) на коллекторе транзистора типа n-р-n.
a) а, б — плюс; б) а, б — минус; в) а — плюс, б — минус; г) а — минус,
б — плюс.
Вопрос №7.
Каким способом нельзя перевести тиристор из открытого состояния в закрытое?
a) Уменьшением до нуля напряжения на основных электродах;
б) изменением полярности напряжения на основных электродах;
в) изменением полярности напряжения на управляющем электроде;
г) всеми можно.
Вопрос №8.
Для выпрямления переменного напряжения применяют...
a) ... однополупериодный выпрямитель; б) ... двухполупериодный
выпрямитель с выводом средней точки; в) ... мостовой двухполупериодный выпрямитель; г) ... все перечисленные выпрямители.
Вопрос №9.
Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения однополупериодного выпрямителя составляет:
a) р = 1,57; б) р = 0,67; в) р = 0,25; г) р = 0,057.
Вопрос №10.
Из каких элементов можно составить сглаживающие фильтры?
a) Из резисторов; б) из диодов; в) из конденсаторов, индуктивных
катушек, транзисторов, резисторов; г) из потенциометров.
ОДИННАД Ц АТ Ы Й Ш А Г
Наконец, мы добрались
до рассмотрения УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОНИКИ
В ходе финишного шага вы познакомитесь с практическими схемами типовых устройств электроники: выпрямителями, сглаживающими фильтрами, стабилизаторами, усилителями низкой частоты, генераторами гармонических колебаний, реле. А в завершении главы сможете
ответить на вопросы для самотестирования. Теперь вы
ПОДГОТОВЛЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИК! Поздравляю!
11.1. Выпрямители
Первое знакомство
Определение.
Выпрямителем называется статический преобразователь переменного тока в постоянный, который используется в ряде отраслей промышленности (транспорт, электрохимия, питание электронной аппаратуры и т. д.).
Для преобразования переменного тока в постоянный служат электрические вентили различных типов: электронные (кенотроны), полупроводниковые (германиевые, кремниевые и др.), ионные (газотроны,
тиратроны и др.).
Каждый вентиль характеризуется следующими параметрами:
амплитудой тока:
средним значением тока;
амплитудой обратного напряжения;
внутренним сопротивлением.
Амплитуда тока вентиля ограничивается насыщением (кенотроны
с вольфрамовым катодом) или началом разрушения катода (кенотроны с оксидированным катодом, газотроны, тиратроны).
ОДИННАДЦАТЫЙ ШАГ. Наконец, мы добрались до рассмотрения УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОНИКИ 317
Среднее значение тока определяет тепловой режим вентиля, так
что повышение среднего значения тока поведет к перегреву вентиля.
Амплитуда обратного напряжения — это, то наибольшее напряжение, которое может быть приложено к вентилю в обратном (непроводящем) направлении, не подвергая его опасности пробоя.
Внутреннее сопротивление определяет потери энергии и падение
напряжения в вентиле.
Примечание.
Так как вольтамперная характеристика вентилей нелинейна, то
внутреннее сопротивление не постоянно и чем меньше оно, тем
экономичнее выпрямитель, так как меньше потери энергии в нем.
Для выпрямления больших токов селеновые вентили соединяют
параллельно, а для получения высоких напряжений — последовательно.
Параллельно можно соединять вентили одной группы, вольтамперные
характеристики которых совпадают, а последовательно — вентили
одного класса с совпадающими обратными характеристиками.
Схемы соединения вентилей
Вольтамперные характеристики германиевых
1
Rш
и кремниевых вентилей имеют большой разброс
1
2
и сильно меняются с изменением температуры.
Rв
Rш
2
Поэтому для выравнивания токов в венти- Rв
лях при их параллельном соединении вводят
добавочные (выравнивающие) сопротивления
а
б
RB (рис. 11.1, а), а для выравнивания обратных
Рис. 11.1. Схемы
напряжений при последовательном соединении соединения вентилей:
параллельного;
вентилей их шунтируют сопротивлениями Rш б —а —
последовательного
(рис. 11.1, б).
В выпрямителях вентили соединяют по определенным схемам,
которые создают на выходе выпрямителя напряжение с различным
числом циклов выпрямления m.
Однополупериодная схема выпрямления (m = 1) на практике почти
не применяется из-за ряда существенных ее недостатков.
Двухполупериодная (m = 2) схема выпрямления с двуханодным
кенотроном изображена на рис. 11.2, а и с полупроводниковыми диодами — на рис. 11.2, б.
318
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
В часть периода, когда
ЭДС вторичной обмотки
I
I
0
I
направлена снизу вверх,
Rн
+
б
К
I
точка а и анод вентиля А1
б
I
Rн
–
(или Д 1) имеют положиД2
тельный потенциал, так что
а
б
под действием ЭДС фазы
Рис. 11.2. Двухполупериодная схема выпрямления:
а вторичной обмотки, ток
а — кенотронного; б — полупроводникового
проходит по цепи: от точки
а через А1-К (или диод Д1-В), сопротивление нагрузки RH к средней
точке О вторичной обмотки трансформатора.
При изменении направления ЭДС вторичной обмотки положительный потенциал имеет точка b и ток протекает от точки b через А2-К
(или диод Д2-В), сопротивление нагрузки Rн к средней точке О вторичной обмотки.
Таким образом, в нагрузке ток проходит в неизменном направлении.
Вторичная обмотка трансформатора двухфазная, и каждая фаза а и b работает половину периода, ЭДС этих фаз uа и ub сдвинуты по фазе на половину периода (рис. 11.3, а). U
Ub
Uн
Ua
U
Напряжение на нагрузке uн
U0
t
t
в любой момент равно мгно- 0
0
T1
венному значению ЭДС фазы,
T
работающей в данный момент.
Кривые изменения напря
а
б
жения uн и тока iн изображены Рис. 11.3. Кривые напряжений в двухполупериодной
схеме выпрямления:
на рис. 11.3, б. Напряжение
а — в фазах вторичной обмотки; б — на нагрузке
помимо постоянной составляющей Uo (среднее значение) содержит переменную составляющую, т. е.
напряжение uн также, как и ток iн, не постоянны, а пульсируют.
Достоинством схемы является малое число вентилей (два вентиля
или один двуханодный кенотрон).
К недостаткам ее следует отнести следущее:
наличие большой переменной составляющей напряжения (пульсация), амплитуда которой Um~ = 0,67U0;
необходимость вывода средней точки вторичной обмотки трансформатора;
большое обратное напряжение, равное Uобр = 2Uм = 3,14U0, где
Uм — амплитуда ЭДС фазы вторичной обмотки (p = 0,67 — коэффициент пульсации).
а
I
0
Д1
А2
А1
а
+
ОДИННАДЦАТЫЙ ШАГ. Наконец, мы добрались до рассмотрения УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОНИКИ 319
Период изменения напряжения на нагрузке Т1 вдвое меньше периода изменения напряжения сети Т. Следовательно, частота первой
гармоники переменной составляющей, т. е. частота пульсации напряжения f1, вдвое больше частоты тока сети (f1 = 2f).
Однофазная мостовая схема выпрямления
Однофазная мостовая схема выпрямления (рис. 11.4) содержит четыре вентиля, к
одной диагонали моста подключается вторичная обмотка трансформатора, а к другой — нагрузка RH.
При направлении ЭДС вторичной
обмотки снизу вверх точка а имеет положительный потенциал и ток проходит по
цепи:
Б
а
I
б
Д2
Д1
I
В I
А
Д4
Г
Rн
Д3
Рис. 11.4. Однофазная
мостовая схема
выпрямления
вторичная обмотка трансформатора, точки а, А, диод Д1,
точка Б, сопротивление нагрузки RH, точка Г, диод ДЗ,
точка В, точка б вторичной обмотки.
При изменении направления ЭДС и тока во вторичной обмотке
трансформатора замкнутая цепь будет:
точки б, В, диод Д2, точка Б, сопротивление нагрузки Rн,
точка Г, диод Д4, точки А и а.
Таким образом, ток в нагрузке не изменяет направления, но изменяется по величине. Кривые изменения напряжения uн и тока нагрузки
iн имеют такой же вид, как и в двухполупериодной схеме. Амплитуда
пульсации напряжения Um~ = 0,67U0 (p = 0,67) при частоте ее f1 = 2f.
В мостовой схеме нет необходимости в выводе средней точки вторичной обмотки трансформатора, она имеет меньшее, чем двухполупериодная схема, обратное напряжение Uобр = Uм = 1,57U0 (вместо
3,14U0), но содержит четыре вентиля (вместо двух).
Трехфазная схема выпрямления
В трехфазной схеме выпрямления (рис. 11.5, а) три вентиля анодами соединены с началами фаз трехфазной вторичной обмотки.
Катоды трех вентилей образуют общую точку, являющуюся плюсо-
320
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
вым полюсом на выходе выпрямителя; минусовый полюс — средняя
точка вторичной обмотки. В любой момент будет открыт тот вентиль,
на аноде которого напряжение наиболее положительно.
Напряжения в фазах втоuн
U
ричной обмотки равны между
U0
a
собой по амплитуде и частоте,
ua ub
uc
b
но сдвинуты по фазе на одну
t
c
0
треть периода Т/3 (рис. 11.5, б).
Iн
На каждом вентиле наиболее
Rн
положительное напряжение
T/3
а
будет также в течение одной
б
трети периода Т/3 и напряжеРис. 11.5. Трехфазная схема выпрямления (а)
ние на нагрузке будет представи кривая выпрямленного напряжения (б)
лять огибающую синусоид ЭДС
в фазах вторичной обмотки.
Период изменения напряжения на нагрузке Т1 = Т/3, т. е. частота
пульсации
f1 = 3f, а ее амплитуда Um~ = 0,25U0 (p = 0,25).
Таким образом, амплитуда пульсации в трехфазной схеме выпрямления значительно меньше, чем в двухполупериодной и мостовой схемах, а частота пульсации больше.
Обратное напряжение на вентиле в трехфазной схеме составляет Uoбр = 2,1U0. Если в выпрямителяхиспользовать управляемые
вентили, то можно будет регулировать выходное напряжение на
нагрузке.
Неуправляемый вентиль открывается, если на аноде его потенциал
выше потенциала катода.
Управляемый же вентиль будет оставаться закрытым при положительном потенциале анода, если на его управляющем электроде нет
отпирающего напряжения.
Кривые регулируемого выпрямленного напряжения
Если в какой-либо схеме выпрямления, например, трехфазной
(рис. 11.5, а), вместо диодов в каждую фазу включить управляемые
вентили (например, тиристоры) и менять моменты их открывания, то
выпрямленное напряжение будет изменяться.
ОДИННАДЦАТЫЙ ШАГ. Наконец, мы добрались до рассмотрения УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОНИКИ 321
Определение.
Часть периода, в течение
которой вентиль остается
закрытым, несмотря на то,
что анод его имеет положительный потенциал, называется углом регулирования α.
uн
U
а
U0
wt
0
uн
U
б
‘
U0
При отсутствии регулирования α = 0 каждый вентиль открыa
a
wt
вается в момент, когда потенциал
uн
U
анода его положителен, и кривая
выпрямленного напряжения будет
в
такой же, как и для неуправляеU0
мого выпрямителя (рис. 11.6, а).
Если управляющий импульс для
a
a
wt
открытия вентиля автоматическим
Рис. 11.6. Кривые регулируемого
устройством подать с отставанием
выпрямленного напряжения при
на угол α' > 0, то вентиль в течение
различных углах регулирования:
а — при отсутствии регулирования α = 0;
части периода α' будет закрыт и
б — при подаче управляющего импульса с
выпрямленное напряжение будет
отставанием на угол α’ > 0;
в — при увеличении угла регулирования α»> α’
равно ЭДС ранее работавшей
фазы. В момент ωt = α' открывается
очередной вентиль и выпрямленное напряжение становится равным
ЭДС фазы, вновь вступающей в работу (рис. 11.6, б). Среднее значение
выпрямленного напряжения уменьшится за 1/3 периода на величину,
соответствующую заштрихованной площадке (U0' < U0).
При увеличении угла регулирования α»> α' (рис. 11.6, в) происходит дальнейшее уменьшение выпрямленного напряжения (U0''< U'0)
и, увеличивая угол регулирования далее, можно изменять выпрямленное напряжение до нуля.
Такой способ регулирования напряжения экономичен, так как он
не связан с дополнительной затратой энергии, но при регулировании
сильно возрастает пульсация выходного напряжения.
‘
‘
‘‘
‘‘
‘‘
322
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
11.2. Сглаживающие фильтры. Стабилизаторы
Сглаживающие фильтры
Выпрямленное напряжение при любой схеме выпрямления помимо
постоянной составляющей U0 (среднее значение) содержит переменную составляющую (пульсацию), амплитуда Um~ и частота f1 которой
зависят от схемы выпрямления.
Для однополупериодной схемы выпрямления Um~ = 1,57U0 и f1 = f,
где f — частота тока сети.
Для всех остальных схем выпрямления
Um~ = (2/(m2 – 1))×U0 и f1 = mf,
где m — число фаз выпрямления (m = 2 для двухполупериодной и
мостовой схем, m = 3 для трехфазной схемы и т. д.).
Пульсация напряжения оказывает вредное влияние — увеличивает потери, создает помехи и др. Поэтому выпрямленное напряжение
обычно непригодно для питания потребителя и необходимо уменьшить его пульсацию, для чего устанавливают сглаживающий фильтр
между выпрямителем и приемником энергии.
Степень ослабления пульсации сглаживающим фильтром определяется коэффициентом сглаживания, равным отношению амплитуд переменных составляющих напряжений на входе и выходе фильтра, т. е.
q = Um~вх/Um~выx
Фильтры могут быть трех типов:
емкостные;
индуктивные;
индуктивно-емкостные.
В емкостном фильтре (рис. 11.7, а) конденсатор С включен параллельно нагрузке и напряжение на конденсаторе равно напряжению на
нагрузке.
Когда напряжение вторичной обмотки трансформатора больше
напряжения на нагрузке (u2 > uн), вентиль Д открыт и через него проходит ток iB, заряжающий конденсатор iс и питающий нагрузку iH, т. е.
iB = ic + iн. Кривая выпрямленного напряжения и тока в вентиле при
емкостном фильтре представлена на рис. 11.8.
При заряде конденсатора uн повышается (рис. 11.7, а). При u2 < uн
вентиль закрывается и начинается разряд конденсатора на нагрузку.
Напряжение при этом понижается.
ОДИННАДЦАТЫЙ ШАГ. Наконец, мы добрались до рассмотрения УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОНИКИ 323
Д
Uвх
L
Rф
Ib
Ic
С Rн
Iн
Uвх
а
С
Uвы х
С
Uвы х
Uвх
д
Uвы х
г
L1
С
С
Uвх
в
L
Uвх
Rн
Uвх
б
L
Ln
С1
Сn
Uвы х
е
Рис. 11.7. Схемы сглаживающих фильтров:
а — емкостного; б — резисторно-емкостного; в — индуктивного; г — индуктивно-емкостного;
д — П-образного; е — многозвенного индуктивно-емкостного
u2
uн
Для двухполупериодной схемы длитель- U, i
ность работы фазы становится меньше
iв
половины периода и зависит как от емкоt
сти конденсатора, так и от сопротивления
0
нагрузки. При включении конденсатора Рис. 11.8. Кривая выпрямленного
пульсация выпрямленного напряжения напряжения и тока в вентиле при
емкостном фильтре
уменьшается и становится тем меньше,
чем больше емкость конденсатора.
В выпрямителях малой мощности находят применение резисторноемкостные RС-фильтры (рис. 11.7, б), коэффициент сглаживания
которых q = mωRC, где m — число фаз выпрямления, ω = 2πf — угловая частота тока сети.
В индуктивных фильтрах (рис. 11.7, в) сглаживание пульсации
напряжения будет лишь при индуктивном сопротивлении дросселя,
много большем сопротивления нагрузки, т. е. mωL >> RH.
Индуктивно-емкостные Г-образные фильтры (рис. 11.7, г) применяются наиболее часто. Непременным условием для этих фильтров
является неравенство mωL >> 1/mωC, т. е. индуктивное сопротивление дросселя должно быть много больше емкостного сопротивления
конденсатора для переменной составляющей тока.
Коэффициент сглаживания LC-фильтров
q = (mω)2LC – 1.
П-образный индуктивно-емкостный фильтр (рис. 11.7, д) можно
рассматривать как двухзвенный, первое звено которого является
емкостным, а второе — индуктивно-емкостным фильтром.
324
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
При очень жестких требованиях на допустимую пульсацию напряжения могут быть использованы многозвенные сглаживающие
фильтры (рис. 11.7, е), коэффициент сглаживания которых равен,
произведению коэффициентов сглаживания отдельных звеньев, т. е.
q = q1q2...qn.
Стабилизаторы напряжения
Все потребители электрической энергии чувствительны к изменениям напряжения, т. е. требует его постоянства (стабилизации) с
определенной степенью точности. В качестве параметрических стабилизаторов применяют газоразрядные и кремниевые стабилитроны.
Газоразрядный стабилитрон, представляющий собой прибор тлеющего разряда, имеет стеклянный баллон (рис. 11.9, а), заполненный
смесью инертных газов аргон-неон, аргон-гелий или других газов при
низком давлении.
Внутри баллона помещены два электрода — катод и анод.
Вольтамперная характеристика стабилитрона (рис. 11.9, б) имеет
такой же вид, как и любого газоразрядного прибора.
Стабилитрон характеризуется следующими величинами: напряжением стабилизации Uc, напряжением зажигания U3, минимальным
током ионизации Imin, максимальным током Imax, превышение которого
ведет к разрушению катода,
динамическим сопротивлением на рабочем участке в
U
диапазоне от Imin до Imax.
Uз
Кремниевые стабилиUс
троны представляют собой
разновидность кремниевых
катод
диодов с повышенной конанод
центрацией носителей заряI
дов в полупроводниках.
Imin
Imax
0
Схемы включения газоб
разрядного и кремниевого
стабилитронов изображены
а
на (рис. 11.10, а и б).
Для кремниевых стабиРис. 11.9. Устройство газоразрядного
литронов рабочим участстабилитрона с его условным обозначением (а)
ком вольтамперной хараки его вольтамперная характеристика (б)
ОДИННАДЦАТЫЙ ШАГ. Наконец, мы добрались до рассмотрения УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОНИКИ 325
Ic+Iн
Rг
Uвх
Ic+Iн
Ic
Rн
а
Iн
Rг
Uвх
Ic
Rн
Iн Uвх
Rг1
б
Rг2
Rн
в
Рис. 11.10. Схемы включения стабилитронов:
а — газоразрядного; б — кремниевого; в — двухкаскадного
теристики (рис. 11.11) является часть,
соответствующая обратным напряжению и
тока, расположенная почти параллельно оси
токов в диапазоне от Imin до Imах.
На входе стабилизатора действует изменяющееся напряжение входа U вх; между
этим напряжением и стабилитроном включено гасящее сопротивление Rг.
Так как стабилитрон включен параллельно нагрузке, то напряжение на стабилитроне UC, равное напряжению на нагрузке
UH, можно определить следующим выражением:
Iпр
Uпр
Uобр
Imin
Imax
Uс
Iобр
Рис. 11.11. Вольтамперная
характеристика и условное
обозначение кремниевого
стабилитрона
Uс = Uн = Uвх – Uг,
где Uг = Rг (Ic + IH) — падение напряжения в гасящем сопротивлении.
При изменении напряжения на входе UBX, например, при его увеличении, в некоторой степени повысится напряжение на выходе, т. е.
на стабилитроне. Это вызовет возрастание тока как в стабилитроне,
так и в гасящем сопротивлении, и, следовательно, увеличится падение
напряжения на этом сопротивлении.
Таким образом, при повышении напряжения на входе возрастет
падение напряжения на гасящем сопротивлении, компенсируя повышение напряжения на входе стабилизатора и поддерживая постоянство напряжения на нагрузке.
Понижение напряжения на входе вызовет уменьшение падения
напряжения на гасящем сопротивлении, так как ток в этом сопротивлении, как и в стабилитроне, уменьшится.
Как газоразрядные, так и кремниевые стабилитроны соединяют
последовательно для получения различных напряжений на нагрузке.
Параллельное соединение стабилитронов не имеет смысла, так как
вследствие несовпадения их вольтамперных характеристик все парал-
326
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
лельно включенные стабилитроны не будут работать в зоне стабилизации напряжения.
При жестких требованиях к стабильности напряжения стабилизаторы составляются из нескольких ступеней — каскадов (рис. 11.10, в),
у которых коэффициент стабилизации равен произведению коэффициентов стабилизации всех звеньев стабилизатора.
Определение.
Коэффициентом стабилизации стабилизатора называется
отношение относительного изменения напряжения входа к относительному изменению напряжения выхода, т. е.
Кст = (∆Uвх/Uвх)/(∆Uвых/Uвых) = (∆UвхUвых)/(∆Uвых/Uвх).
Стабилизаторы на стабилитронах могут иметь невысокий коэффициент стабилизации (в несколько десятков) и низкий КПД.
Газоразрядные и кремниевые стабилитроны могут быть использованы
для стабилизации переменного напряжения, форма кривой которого
на выходе близка к прямоугольной.
11.3. Усилители низкой частоты
Назначение и классификация
Электронные усилители предназначены для усиления напряжения, тока или мощности слабых электрических сигналов (колебаний).
Усиление колебаний осуществляется электронной лампой или транзистором под воздействием источников энергии, питающих усилитель.
Электронные усилители можно классифицировать по ряду признаков:
по роду усиливаемой величины — усилители напряжения, усилители тока, усилители мощности;
по диапазону частот — усилители низкой частоты, усилители
высокой частоты, усилители постоянного тока;
по числу каскадов (ступеней) усиления — одно-, двух- и многокаскадные.
Мощность выходных колебаний усиливается в основном в связи с
усилением напряжения в усилителях напряжения и усилением тока в
усилителях тока и мощности.
ОДИННАДЦАТЫЙ ШАГ. Наконец, мы добрались до рассмотрения УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОНИКИ 327
Основные параметры усилителей
Основными параметрами усилителей являются:
коэффициент усиления;
диапазон усиливаемых частот;
выходное напряжение или выходная мощность;
КПД.
Коэффициентом усиления усилителя напряжения называется отношение напряжения на выходе к напряжению на входе, т. е.
Ku = Uвых/UBx.
Коэффициентом усиления усилителя мощности называется отношение мощности на выходе к мощности на входе усилителя, т. е.
KP = Pвых/Pвх.
Коэффициент усиления многокаскадного усилителя равен произведению коэффициентов усиления его каскадов.
По способу связи между каскадами усилители могут быть:
с гальванической связью;
с резистивно-емкостной связью;
с трансформаторной связью.
В диапазоне частот усилителя изменения коэффициента усиления
не должны превышать допустимых пределов.
Определение.
КПД усилителя называется отношение выходной мощности усилителя к суммарной мощности питания всех его цепей, т. е. η =
Pвых/Pпит.
Искажения сигнала
Проходя через усилитель, форма электрического сигнала нарушается под воздействием частотных, амплитудных и фазовых искажений. Частотные искажения формы электрического сигнала возникают вследствие различной степени усиления напряжений различных
частот, составляющих усиливаемый сигнал.
Частотные искажения оцениваются коэффициентом частотных
искажений, показывающим, насколько усиление на данной частоте f
отклоняется от усиления на средней частоте, т. е. M = Kср/Kf. Обычно
328
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
допустимое значение коэффициента частотных искажений принимают М = 1,25.
Амплитудные или нелинейные искажения возникают вследствие
нелинейности характеристик электронных ламп, транзисторов, сопротивления нагрузки и вызывают искажения формы кривых усиливаемых сигналов.
Фазовые искажения, представляющие собой изменения фазы электрического сигнала на выходе усилителя относительно фазы сигнала
на его входе, возникают из-за реактивных элементов (индуктивностей
и емкостей), включаемых в схему усилителя.
Обратная связь
В усилителях широко используют обратную связь, т. е. воздействие
выходной цепи усилителя на ее входную цепь. Для соединения выходной цепи усилителя с его входом служит цепь обратной связи.
Если сигнал с выхода усилителя на его вход приходит совпадающим
по фазе с усиливаемым сигналом, то это увеличит общий коэффициент усиления и обратная связь называется положительной.
Если обратная связь вызывает уменьшение коэффициента усиления, то она называется отрицательной.
Отрицательная обратная связь улучшает стабильность работы и
характеристики усилителя, уменьшает нелинейные искажения, так
как всякая гармоника, искажающая форму сигнала, после усиления
подается через цепь обратной связи на вход усилителя с противоположной фазой, частично компенсируя искажение сигнала.
Смещение в ламповых усилителях
При использовании в качестве усилителя электронной лампы необходимо, чтобы сетка имела отрицательный потенциал относительно
катода, так как при положительном потенциале на сетке возникают
сеточные токи, которые искажают усиливаемый сигнал.
Для создания отрицательного смещения на сетке лампы может быть
использован отдельный источник — батарея смещения, но применение
такого источника увеличивает габариты, массу и стоимость устройства. Поэтому обычно применяют автоматическое смещение сеточного
напряжения, которого достигают падением напряжения на резисторе
Rсм (рис. 11.12, а), включенном в цепь катода усилительной лампы.
ОДИННАДЦАТЫЙ ШАГ. Наконец, мы добрались до рассмотрения УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОНИКИ 329
ia
A
C
1
ia
Ra
K
Rc
Ia–
Rсм
Ia~
Cш
2
+Uc
0
Uсм
–Uc
+
–
Ea
t
Uвх
а
t
б
Рис. 11.12. Схема простейшего лампового усилителя (а) и процесс усиления (б)
Постоянная составляющая анодного тока Iа, проходя по этому
резистору, создает падение напряжения Uсм = IaRсм, и потенциал сетки
автоматически понижается относительно катода на величину Uсм.
Переменная составляющая анодного тока замыкается через шунтирующий конденсатор Сш, включенный параллельно резистору Rсм.
Сопротивление конденсатора Сш для переменной составляющей
должно быть много меньше сопротивления Rсм с тем, чтобы падение
напряжения переменной составляющей анодного тока в резисторе Rсм
не влияло на сеточное напряжение.
Отрицательное смещение подается на сетку через резистор R c,
через который электроны, попавшие на сетку, стекают на катод. Если
отключить резистор Rc, то на сетке будут скапливаться электроны,
заряд которых может запереть лампу.
На зажимы резистора Rc (1 и 2) подается напряжение от источника
входного сигнала uвх, подлежащего усилению. Сопротивление резистора Rc должно быть достаточно большим (0,5—1 МОм) с тем, чтобы
входное сопротивление схемы было стабильным.
Входное напряжение усилителя uвх, приложенное к резистору Rc,
включено в цепь между катодом и сеткой лампы, в результате чего
изменяется отрицательное смещение на сетке.
При положительной полуволне uвх отрицательное смещение на
сетке лампы уменьшается — (Uсм – uвх) и анодный ток лампы iа увеличивается (рис. 11.12, б).
При отрицательной полуволне uвх отрицательное смещение на
сетке возрастает (Uсм + uвх), уменьшая анодный ток лампы. Таким
образом, кривые анодного тока iа и напряжения на анодной нагрузке
uR изменяются в фазе с входным напряжением uвх. При этом анодное
напряжение лампы uа, являющееся напряжением на выходе усилителя
330
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
uа = uвых = Еа – uR, изменяется в противофазе с напряжением uвx. Таким
образом, усилительный каскад с активной нагрузкой изменяет фазу
напряжения на π или на 180°.
В рассмотренной схеме усилительного каскада весьма незначительные колебания входного напряжения uвх вызывают также малые
изменения потенциала сетки лампы и достаточно большие изменения
анодного тока, т. е. на выходе усилителя будут получены электрические колебания значительно большей мощности.
Усиление электрических колебаний будет тем большим, чем больше
крутизна анодно-сеточной характеристики лампы.
Транзисторные усилители
Транзисторные усилители наиболее часто работают по схеме с
общим эмиттером (рис. 11.13), так как эта схема обеспечивает достаточно большое входное сопротивление и коэффициент усиления. Эта
схема транзисторного усилителя эквивалентна
–Uк
схеме усилителя на электронной лампе.
R
Rн
Iк
Изменение потенциала базы под действием
С2
к
С1
входного напряжения uвх вызывает изменение
б
Uвы х
как коллекторного тока iк, так и напряжения
Iб
э
Uвх
эмиттер — коллектор uэк, являющегося выходR’
Iэ
ным.
+Uк
В этой схеме коэффициенты усиления
Рис. 11.13. Схема
составляют:
транзисторного (p-n-p)
по току Кi = β = ∆Uвых/∆Uвх = ∆Iк/∆Iб;
усилителя напряжения по
по напряжению КU = ∆Uвых/∆Uвх;
схеме с общим эмиттером
по мощности КР = ∆Pвых/∆Pвх = КiКU.
Примечание.
Для нормальной работы транзистора между эмиттером и базой
должно быть постоянное напряжение смещения базы (десятые
доли вольта).
На рис. 11.13 для получения напряжения смещения базы применен резистор R, включенный между базой и отрицательным полюсом
источника питания Uк.
Для получения напряжения смещения базы может быть использован делитель напряжения RR', как показано на схеме прерывистой
линией.
ОДИННАДЦАТЫЙ ШАГ. Наконец, мы добрались до рассмотрения УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОНИКИ 331
Как было сказано выше, температура в сильной степени влияет
на параметры и работу полупроводниковых приборов. Так, например, повышение температуры вызывает увеличение токов и изменяет
режим работы транзисторов. Для уменьшения влияния изменения
температуры на режим работы транзисторов применяют температурную стабилизацию.
На схеме усилителя, приведенной на рис. 11.13, может быть использована коллекторная температурная стабилизация, если резистор R,
необходимый для получения смещения напряжения базы подключить к
коллектору транзистора, как показано на схеме прерывистой линией.
В этом случае повышение температуры вызовет увеличение тока
коллектора Iк и возрастет падение напряжения в коллекторной
нагрузке, что уменьшает напряжение эмиттер-коллектор и эмиттербаза и, следовательно, уменьшает ток коллектора Iк до начального значения.
Помимо влияния температуры отрицательным свойством транзисторов является ухудшение их усилительных свойств с повышением
частоты. Неосновные носители проходят через базу не мгновенно, и
инжектированные в базу в один и тот же момент неосновные носители
достигают коллекторного перехода в разное время, вследствие чего
уменьшается амплитуда и искажается форма выходного сигнала.
При этом происходит запаздывание по фазе между коллекторным
и эмиттерным токами. Кроме того, с ростом частоты емкость коллекторного перехода шунтирует его сопротивление, что уменьшает коэффициент передачи.
По этим причинам с повышением частоты уменьшается коэффициент усиления по току α и частота, при которой он достигает величины
0,707 своего начального значения, называется граничной частотой.
Если для получения заданного
коэффициента усиления одного уси–Uк
R
R1 Rк’ С
Rк
С р’
лительного каскада недостаточно,
T1 к
T2 к
применяют многокаскадные усилиСр
б
б
тели. На рис. 11.14 показана схема
э
э
двухкаскадного транзисторного
Uвы х
Cш
Cш ’
усилителя с резистивно-емкостной Uвх Rэ
R2 Rэ’
связью между каскадами.
+Uк
Ра з дел и тельн ый кон де нс аРис. 11.14. Схема двухкаскадного
тор С р предназначен для отделетранзисторного усилителя
ния постоянной составляющей
с резистивно-емкостной связью
332
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
напряжения смещения базы от источника входного напряжения.
Напряжение смещения на базу первого транзистора Т 1 подается
через резистор R.
Температурная стабилизация первого, также как второго каскада,
осуществляется резисторами Rэ и Rэ' (эмиттерная стабилизация). Эти
резисторы создают обратную связь по постоянному току.
Если с повышением температуры увеличатся токи транзисторов, то
возрастет падение напряжения в резисторах Rэ и Rэ', а в связи с этим
понизятся потенциалы эмиттеров транзисторов, что уменьшит напряжение смещения базы и вызовет уменьшение токов.
Коллекторными нагрузками являются резисторы R к и R' к.
Конденсатор C'р является разделительным между первым и вторым
каскадами.
Второй каскад отличается от первого тем, что смещение базы фиксируется делителем напряжения с резисторами R1 и R2.
Конденсатор С задерживает постоянную составляющую тока из
коллекторной цепи в нагрузку на выходе второго каскада.
11.4. Генераторы гармонических колебаний
Для получения переменных токов высокой частоты могут служить
ламповые генераторы, которые преобразуют энергию постоянного
тока в электрическую энергию переменного тока заданной частоты.
По способу возбуждения колебаний генераторы подразделяются
на генераторы с независимым возбуждением и генераторы с самовозбуждением или автогенераторы.
В генераторах с независимым возбуждением переменное напряжение заданной частоты подается от постороннего источника, и генераторы являются усилителями мощности гармонических колебаний.
В генераторах с самовозбуждением
Lp
а
Cp
незатухающие
колебания создаются под
Л
с
Lн Rн
L
воздействием
выходной
цепи генератора
C
к
Uа
на его входную цепь через положительную
обратную связь.
Lс
Uсм
На рис. 11.15 приведена схема лампового
генератора с самовозбуждением, содержаРис. 11.15. Схема лампового
щая колебательный контур LC. Если зарягенератора типа LC
– +
ОДИННАДЦАТЫЙ ШАГ. Наконец, мы добрались до рассмотрения УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОНИКИ 333
дить конденсатор С, а затем замкнуть его на катушку индуктивности
L, то конденсатор будет периодически разряжаться и заряжаться. При
этом в цепи колебательного контура возникнут электрические колебания тока и напряжения с частотой, зависящей от емкости конденсатора С и индуктивности катушки L, т. е.
,
где ω0 — собственная угловая частота контура.
Эти колебания будут затухающими, так как в контуре происходит
потеря энергии.
Для получения незатухающих колебаний переменного тока необходимо периодически с определенной частотой добавлять энергию в колебательный контур с тем, чтобы компенсировать потери энергии в нем.
Триод Л является быстродействующим устройством, позволяющим
добавлять в колебательный контур необходимую энергию.
Переменный ток, возникающий в колебательном контуре и проходящий по виткам катушки L, возбуждает переменное магнитное
поле, которое индуктирует в обмотке Lc переменную ЭДС ес с частотой
тока колебательного контура. Эта ЭДС воздействует на сетку лампы и
управляет током в цепи ее анода.
При положительном значении ЭДС катушки обратной связи она
уменьшит отрицательное смещение на сетке лампы — (UСМ – ес). При
этом анодный ток увеличится. При отрицательном значении ЭДС
ес увеличит отрицательное смещение на сетке лампы — (UCM + ec) и
уменьшит анодный ток.
Таким образом, анодный ток лампы будет пульсирующим, изменяющимся от наибольшего до наименьшего значения с частотой, равной
частоте ЭДС обмотки обратной связи, т. е. частоте тока колебательного контура.
При этом наибольшее значение анодный ток принимает в момент,
когда ЭДС е с имеет максимальное положительное значение, т. е. ес
совпадает по фазе с переменной составляющей анодного тока и, следовательно, обратная связь положительная.
Постоянная составляющая анодного тока не может пройти в колебательный контур, так как этому препятствует разделительный конденсатор Ср, и замкнется через источник питания и разделительную
индуктивность Lp, которая установлена, чтобы переменная составляющая не шунтировалась источником питания.
334
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
При высокой частоте индуктивное сопротивление разделительной
индуктивности ω0Lp велико и оно препятствует прохождению переменной составляющей анодного тока, замыкающейся через колебательный контур.
Для возбуждения незатухающих колебаний переменная составляющая анодного тока лампы должна быть достаточной, чтобы компенсировать потери энергии в контуре.
В противном случае колебания будут затухающими и генератор
работать не сможет.
В результате магнитной связи незатухающие колебания передаются
в выходную обмотку Lн, откуда поступают в нагрузку Rн.
На рассмотренной схеме автогенератора между колебательным контуром и сеткой лампы использована трансформаторная обратная связь.
Автогенераторы могут быть также с индуктивной и с емкостной
обратной связью.
11.5. Реле
В схемах питания, управления и защиты электронных устройств
широко применяются реле — приборы, в которых плавное изменение входных параметров приводит к скачкообразному изменению
выходных величин. Если входным параметром является величина X
(например, ток), а выходным — Y (например, напряжение), то характеристика прибора, обладающего релейным эффектом, имеет вид,
показанный на рис. 11.16.
При изменении входного параметра X от нуля до значения X1
выходной параметр остается неизменным и равным Y1. При X = X1
параметр Y скачкообразно изменяется до значения У2 и остается неизменным при дальнейшем увеличении X.
Уменьшение параметра X также не изменяет величины Y2, но при
Х = Х2 параметр Y скачкообразно уменьшается и принимает первоначальное значение Y1.
Так, например, работа широко распространенного электромагнитного реле основана на электромеханическом действии тока. При увеличении тока до определенной величины сила воздействия на якорь
становится достаточной для преодоления силы противодействующей
пружины, и якорь изменяет свое положение, переключая контакты.
ОДИННАДЦАТЫЙ ШАГ. Наконец, мы добрались до рассмотрения УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОНИКИ 335
С уменьшением тока до величины, при y2y
которой электромагнитная сила становится
меньше силы противодействующей пружины, якорь возвращается в исходное полоy1
жение.
Таким образом, работу реле характериx2
x1
x
зуют две величины входного параметра (в
Рис. 11.16.
рассмотренном случае тока): ток срабатыХарактеристика
вания и ток отпускания, а все промежуточрелейного элемента
ные значения тока не приводят к изменению
состояния реле.
Ток срабатывания реле больше тока отпускания. В рассмотренном
электромагнитном реле после притяжения якоря воздушный зазор
становится минимальным, для удержания якоря требуется малый ток
и для отпускания реле ток в обмотке необходимо уменьшить по сравнению с током срабатывания.
Определение.
Отношение входного параметра при отпускании реле Х2 к величине
этого параметра при срабатывании Х1 называется коэффициентом возврата реле (Кв = Х2 /Х1 ), который всегда меньше единицы.
Реле состоит из воспринимающего органа, предназначенного для
восприятия входного параметра, и исполнительного органа, который
формирует выходные параметры. Для электромагнитного реле такими
элементами являются катушка электромагнита и контакты.
Воздействие на воспринимающий орган приводит к изменению
состояния исполнительного органа через определенное время, называемое временем срабатывания или временем отпускания реле.
Время срабатывания, или отпускания, реле складывается из времени трогания и времени движения.
Временем трогания называется отрезок времени, прошедший от
момента включения или выключения цепи воспринимающего органа
до начала перемещения подвижной части реле. Это время зависит от
постоянной времени реле.
Время движения — промежуток времени от начала перемещения
подвижной части до замыкания или размыкания контактов; это время
зависит от конструктивных свойств реле: массы якоря, его входа, тяговых усилий и т. д.
336
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
Время срабатывания и отпускания реле можно изменить как конструктивными, так и схемными мерами. Для замедления срабатывания и отпускания реле на его сердечнике помещают массивную медную гильзу (кольцо), которую располагают для замедления на притяжение впереди катушки (со стороны якоря), а для замедления на
отпускание — сзади катушки. Индуктируемый в гильзе ток задерживает нарастание или спадание магнитного потока, в результате этого
замедляется перемещение якоря.
Схема включения реле для
з амедления сраб атыв а ния
и отпускания реле показана
R
С
на рис. 11.17, а. При включеС
нии
конденсатор С, шунтируя
R
С
обмотку реле, задерживает
увеличение тока в ней, а при
а
б
в
г
выключении конденсатор, разряжаясь на обмотку, замедляет
Рис. 11.17. Схемы включения реле:
а — для замедления срабатывания и
уменьшение тока.
отпускания; б — для замедления отпускания
Для замедления работы реле
(с конденсатором); в — для замедления
отпускания (с включением диода параллельно
на отпускание служит схема
обмотке реле в непроводящем направлении);
(рис. 11.17, б). Запасенная в
г — для ускорения срабатывания
конденсаторе энергия задерживает уменьшение тока в обмотке реле. Также замедление на отпускание обеспечит схема с включением диода параллельно обмотке реле в
непроводящем направлении (рис. 11.17, в).
При отключении реле в его обмотке будет поддерживаться ток под
воздействием ЭДС самоиндукции. Для ускорения срабатывания реле
может быть использована схема, изображенная на (рис. 11.17, г).
В момент включения ток проходит через конденсатор, представляющий для него малое сопротивление, и реле быстрее срабатывает.
Реле подразделяются на контактные и бесконтактные. Контакты
реле — наиболее ненадежные их части. Бесконтактные реле имеют ряд
существенных преимуществ по сравнению с контактными:
большая точность;
повышенная чувствительность;
увеличенное быстродействие;
высокие надежность и долговечность.
К бесконтактным реле относятся электронные переключающие
устройства, называемые спусковыми или триггерами. Контактные
ОДИННАДЦАТЫЙ ШАГ. Наконец, мы добрались до рассмотрения УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОНИКИ 337
К объекту
реле преобразуют входную величину
управления
в механическое действие, результатом которого является замыкание
Rc
+
или размыкание выходной цепи. К
КЦ
Еа
Uс
–
контактной группе реле относятся
–
+
электромеханические реле с элекРис. 11.18. Схема электронного реле
тронными усилителями.
Электронное реле (рис. 11.18) представляет собой электронный
усилитель на триоде, в анодную цепь которого включено электромагнитное реле Р.
При подаче на сетку небольшого положительного напряжения от
контролируемой цепи КЦ, подключенного к ней, анодный ток вследствие усилительных свойств лампы значительно увеличивается.
Электромагнитное реле срабатывает, переключает свои контакты
и включает, отключает или переключает устройства, которыми оно
управляет.
Управление электромагнитным реле может осуществляться транзисторами, тиратронами, фотоэлементами и др.
Фотореле является автоматическим устройством, реагирующим на
изменение светового потока. Простейшее фотореле обычно последовательно соединяют с фотореК объекту
зистором (рис. 11.19, а), котоФ
управления
Л
рые включают в сеть с напряP
жением U.
Rc
+
При неосвещенном фотоФР
U
Uсм
–
резисторе сопротивление его
–
+
–
U
+
велико (примерно 1 МОм) и
а
б
ток в цепи мал. Освещение
Рис.
11.19.
Схемы
фотореле:
ф отор е зис тора вызыв ае т
а — с фоторезистором;
уменьшение его сопротивлеб — с ламповым усилителем
ния и увеличение тока в цепи.
При некотором значении тока в цепи срабатывает электромагнитное реле Р, замыкая или размыкая контакты в управляемой цепи.
В случаях, когда чувствительность фотореле с фоторезисторами
оказывается недостаточной, применяют фотореле с электронными
усилителями (рис. 11.19, б).
При затемненном фотоэлементе его фототок равен нулю, и на сетку
усилительной лампы подается отрицательное смещение Uсм, запирающее лампу.
338
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
При освещении фотоэлемента появляется фототок, который создает на резисторе Rc падение напряжения, которое уменьшает отрицательное смещение на сетке усилительной лампы, отпирая ее.
В результате анодный ток лампы и ток в обмотке реле Р повышаются. По мере увеличения освещенности фотоэлемента возрастает ток
в анодной цепи и при достижении некоторого значения происходит
срабатывание реле Р.
11.6. Вопросы для тестирования
Вопрос №1.
В усилительном каскаде задают напряжения и токи смещения, с
целью обеспечения:
a) ... выходного сопротивления; б) ... входного сопротивления;
в) ... положения рабочей точки; г) ... защиты транзистора.
Вопрос №2.
Для обеспечения положения рабочей точки при отсутствии входного сигнала, в усилительном каскаде на биполярном транзисторе
задают следующие напряжения и токи смещения...
a) ... токи в цепях базы и эмиттера; б) ... напряжения в цепях
базы и эмиттера; в) ... токи и напряжения в цепях базы и эмиттера;
г) ... при отсутствии входного сигнала ничего не задается.
Вопрос №3.
Для связи между каскадами в многокаскадном усилителе чаще
всего используют...
a) ... соединение каскадов через конденсаторы; б) ... непосредственное соединение каскадов; в) ... соединение каскадов через резисторы;
г) ... соединение каскадов через предохранители.
Вопрос №4.
Какие величины усиливает усилитель, собранный на транзисторах
по схеме с общим коллектором?
a) Напряжение; б) напряжение и мощность; в) ток; г) ток и мощность.
ОДИННАДЦАТЫЙ ШАГ. Наконец, мы добрались до рассмотрения УСТРОЙСТВ ЭЛЕКТРОНИКИ 339
Вопрос №5.
Какие величины усиливает усилитель, собранный на транзисторах
по схеме с общим эмиттером?
a) Напряжение, ток и мощность; б) мощность; в) напряжение и
ток; г) напряжение.
Вопрос №6.
Какой основной режим работы биполярного транзистора в усилительных устройствах?
a) Режим насыщения; б) инверсный активный режим; в) режим
отсечки; г) активный режим.
Вопрос №7.
При какой схеме включения биполярного транзистора, усилитель
называют эмиттерным повторителем?
a) С общим коллектором; б) с общей базой; в) с общим эмиттером;
г) и с общим коллектором, и с общей базой.
Вопрос №8.
Какого назначение конденсаторов С1
и С2 в схеме, приведенной на рис. 11.20?
a) Гальваническая развязка по переменному току; б) положение рабочей
точки при воздействии входного сигнала; в) улучшают частотные свойства
каскада; г) гальваническая развязка по
постоянному току.
C1
R1
Rвх
Uвх
R2
Rк
Eк
C2
VT
Rн
Rэр
Cэр
Cэр
Рис. 11.20. Схема
для вопросов №8 и №9
Вопрос №9.
Назначение резисторов R1 и R2 в схеме, приведенной на рис. 11.21?
а) Термостабилизация каскада; б) положение рабочей точки
каскада; в) входное сопротивление каскада; г) выходное сопротивление каскада.
Вопрос №10.
Как называется промежуток времени от начала перемещения подвижной части до замыкания или размыкания контактов реле?
a) Время трогания; б) время движения; в) время срабатывания;
г) время отпускания.
Послесловие
Куй железо пока горячо
«Куй железо пока горячо», «Не откладывай на завтра то, что можно
сделать сегодня» — это народные мудрости, а значит, нет никаких
причин сомневаться в истине этих слов. Веками люди ощущали на
«собственной шкуре» справедливость этих выражений, независимо
от того, чем они занимались: доедали мамонта в пещере или «рубили
капусту» на «барахолке», сеяли рожь в степях Украины или собирали
голоса на выборах и т. д.
Кроме применения этих пословиц к тем или иным событиям, оказывается значительное влияние на целые периоды в жизни человека.
Отложил учебу, «положил» на работу — а жизнь-то идет.
В результате, не исключены последствия — «заглянул в рюмку»,
«наступил на пробку» или просто упустил время, которого не хватит
потом, когда «рак свистнет» или «петух клюнет».
Вспоминая слова Павки Корчагина о том, что «нужно прожить так,
чтобы не было мучительно больно за бесцельно прожитые годы», возникает вопрос:
«А как их прожить, чтобы не пожалеть?». У героя Островского
вариантов было не много. Но сейчас «узкоколейки» давно построены,
и возможностей проявить себя у человека более чем предостаточно.
Одна из них — ваша.
Такая возможность, у каждого, появляется по-разному. Приведу
свой пример той «искорки», возникшей еще в детстве.
Дружил с мальчиком — были соседями, жили в одном доме. Папа,
у Андрея, работал по радиотехнической специальности и постоянно
приносил какие-то запчасти, радиодетали — развивал интерес своего
ребенка к радиотехнике, и довольно успешно. Андрей стал осваивать
азы этой науки. Происходящее рядом, не могло не заинтересовать и меня,
хотя больших успехов в то время я не достиг, — учителя то не было.
Помню, лазили возле мусорных куч и собирали выброшенные
радиоприемники, проигрыватели и все то, на чем просматривались
блестящие конденсаторы и цветные резисторы. Кое-чему я научился у
Андрея, знал, как выглядят и как называются разноцветные штучки.
Послесловие
341
Когда друг общался с отцом по причинам неисправностей собранных им схем, я находился в недоумении, так как ничего не мог понять,
о чем они говорят и на каком языке.
Интерес проявлялся еще с большей силой. Но в виду того, что
самому изучить хотя бы простенькую часть науки об электричестве
мне было не по силам (пытался читать журналы и учебники), я бросил это занятие и, — надолго. Дальше был пробел, о котором сейчас с
сожалением вспоминаю.
Шло время, наступил момент выбора будущей профессии.
Интереса, как такового, ни к чему не было.
При рассмотрении вариантов, взгляд «упал» на электромеханическое отделение училища. Было решено, но закончился «набор» и пришлось пойти учеником электро-радиомонтажника на завод, до следующего учебного года.
Работая в коллективе, я понял, что овладеть знаниями электротехники и электроники можно только тогда, когда информация берется
не только из книги, а из примеров и рассуждений людей, знающих
свое дело и имеющих опыт работы в этих областях.
Особенно хорошо усваивались такие вещи, которые увидел в практическом применении, а потом сопоставил и сравнил с их описаниями
в учебных пособиях.
Вот таким образом постепенно вливался в процесс изучения и,
делая успехи, шаг за шагом, начинал обретать уверенность в себе, ставил цели, которые в скором времени были достигнуты.
Так вот, если взять и выбрать полезную информацию из практики и
связать с теорией, то получится как раз то, что так не хватало, при знакомстве с наукой на мусорных кучах, а также при попытках прочитать
непонятные журналы и учебники. Допустим, что информация собрана.
Для заинтересованных людей — это короткий путь к успеху.
А как привлечь внимание тех, кто еще не знает, о том, что он
родился с «мультиметром» в руках или с законом Ома в голове?
Больно смотреть на слонявшихся по улицам молодых людей, упускающих свое время и, пока еще не ведающих, что их ждет впереди.
Больно, потому что, многие из них просто не могут определиться
со своим местом под солнцем, плывут по течению и будут плыть до
момента «просветления», когда уже придется о многом пожалеть.
Вокруг нас столько всего познавательного, того, что дано только
человеку. Любая область, созданная природой или людьми, имеет свои
особенности и полезности, нужные и интересные для нас.
342
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
Самое, наверно, трудное — сделать первый шаг, а потом, вникая
в смысл той или иной небольшой части узнанного, желание — знать
больше, не прекращается. В этом и заключается вся прелесть познавательного процесса. И поэтому, для тех, кто не может «найти» свое
место, могу предложить «беспролетный» вариант. Попробуйте себя в
окружении интересных электрических законов, здесь вам — и всегда
востребованная специальность, и творчество, и уважение окружающих вас людей.
Если вы решились, то значит для вас «рак уже свистнул» и не откладывайте«на потом», «чтобы не было больно за бесцельно прожитые годы».
В среде электротехнического персонала
В среде электротехнического персонала, как и в других профессиях
всегда имеет место невидимое распределение специалистов по «статусу...» — общему показателю теоретических знаний, опыту и общению с людьми. Это такой невидимый и независимый от занимаемой
должности и образования, показатель.
Уважение, авторитет, репутация — как хотите, только в более скрытой форме. Причем, не имеет значение, какое учебное заведение за плечами — средняя школа или МГУ. (Вы не видели самоучек-гениев?)
Это можно представить себе в виде лестницы, на ступеньках которой расположены представители профессии. На ступени они располагаются по «статусу...».
Для перехода на новую ступень важно качественно пройти предыдущий уровень. Несоблюдение этого условия чревато «казусными»
ситуациями.
К примеру, руководитель одного из подразделений крупного предприятия, занял свое место (прыгнул через «ступеньку»), благодаря,
протеже высокопоставленного родственника, не имея для этого соответствующего опыта работы и самое главное — знаний, необходимых
для этого профиля.
В результате, проработал он недолго — не прошел ближайшей аттестации, проводимой независимой экспертизой.
Послесловие
343
«Роковой» вопрос — электромагнитный пускатель
Еще пример.
Обыкновенный парень, таких миллион, после окончания средней
школы устроился учеником электрика на предприятии для того, чтобы
«перекантоваться» годик, перед тем, как отдать долг Отечеству.
Вроде бы понравилось.
Хотя каждый рабочий день был занят одной мыслью: — «Скорее 5
часов — там девчонки, пивко, танцульки и т. д.». Вот она — слабость.
В рабочее время — удели внимание делу, которое нравится.
Пролетел год. Армия. После службы — устройство на работу, связанную с электричеством. Собеседование...
Место работы оказалось довольно престижным, высокооплачиваемым и перспективным (полный соц. пакет, направление на оплачиваемую учебу и т. д.).
На собеседовании прозвучал всего один — единственный, простой
вопрос, решающий судьбу молодого человека.
И он не смог...
Он не смог изобразить на листке бумаги схему электромагнитного
пускателя электродвигателя. Схему, которую любой электрик должен
знать, в первую очередь, днем и ночью.
Ему это было непростительно. Самая первая и важная «ступенька»
будущей работы, да и в самой жизни — сорвалась. Не попал даже в
последние ряды первой «ступени», не говоря уже о «статусе...».
Так происходит со многими.
Электротехника — область творчества
Только образование, накопленный опыт работы, заработанное уважение позволяют постепенно продвигаться по «лестнице успеха».
Особое внимание хочется обратить на людей, стоящих в последних
рядах каждой ступени. Часто эти люди, незаметные в своем профессиональном отношении к работе.
Ведь электротехника — это область творчества и здесь обязательны
некие нестандартные проявления или «форсы» на фоне «рутины»
рабочей обстановки.
Они будут «пожизненно» последними на своей ступени, если не
будут развивать в себе творческую жилку, пополнять запас теоретических знаний и стремиться овладеть, насколько это, возможно, своей
великолепной профессией.
344
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
Электромагнитный пускатель на «лестнице успеха»
В истории обыкновенного паренька необходимо обратить внимание на очень важный момент собеседования, это вопрос о работе электромагнитного пускателя. Нарисовать схему и объяснить работу —
это очень простой и эффективный способ показать свои знания и
навыки.
В самом деле! Здесь проверяется способность чтения схем и логика
мышления. Также, знание элементов и их свойств. Здесь можно продемонстрировать почти все законы электротехники. Вся электротехника
на одном листе!
Человек, с легкостью объясняющий работу схемы и назначение
элементов, совсем не кажется «чайником» в этой области.
Поэтому, те, кто пока еще, находится на нижних ступенях и не
имеет «статуса...», применяйте в пополнении своего опыта и знаний
такие методы, как объяснение работы и назначение элементов отдельных устройств силовой электротехники, автоматики, бытовой электротехники.
Это, само по себе, интересное занятие, никак не может быть в
тягость человеку, который не стоит на месте и любит свою работу.
Для того чтобы попытаться начать по-новому относиться к своей
электротехнической профессии и, если вы еще не знаете, как это сделать, то почитайте демонстрацию работы схемы электромагнитного
пускателя.
Может, это натолкнет вас на мысль о том, как, использовать и другие подобные примеры, содержащие электротехническую информацию, которая послужит вам в повышении своего «статуса...» на невидимой «лестнице успеха».
Рассмотрим общий принцип работы магнитного пускателя, который служит для управления включения-выключения разных потребителей. Схема пускателя может состоять от нескольких до большого
количества элементов в зависимости от сложности схем управления.
Начнем с минимального количества, самая простая схема магнитного
пускателя (рис. 1).
В данной схеме минимальное количество
элементов: это предохранители для защиты
цепи управления; системы кнопок и контакта,
которые являются по сути своей кроме своих
основных функций системой «нулевой защиты»
Рис. 1. Простая схема
от повторного включения, при исчезновении магнитного пускателя
Послесловие
345
напряжения при работе. Рассмотрим работу этой схемы. Ток проходит
по предохранителю через замкнутую кнопку «Стоп», через нажатую
кнопку «Пуск», через обмотку катушки контактора по цепи через второй предохранитель и в сеть. Итак, при нажатии на кнопку «Пуск» цепь
замыкается, катушка контактора втягивается и замыкает свои главные
контакты. Допустим, если нагрузка у нас электродвигатель, то в цепи
электродвигателя стоят контакты нашего контактора и во время срабатывания катушки она втягивается и замыкает эти контакты (рис. 2).
При этом цепь питания электродвигателя замкнута на трехфазную
сеть и электродвигатель начинает работать. Также при срабатывании
катушки контактора — замыкается блок-контакт этого контактора
для шунтирования кнопки «Пуск». Т. е. когда мы кнопку отпустим,
у нас цепь остается замкнутой и контактор остается во включенном
положении, при этом двигатель продолжает работать (рис. 3). Если в
сети пропадает напряжение (рис. 4), то катушка контактора обесточивается, возвращается на свое исходное место, у нее размыкаются
главные контакты, размыкается блок-контакт и, т. к. напряжения нет,
схема находится в бездействии. При появлении напряжения в сети
повторного включения электродвигателя не произойдет, т. к. контакт
блокировочный у нас замкнут и для повторного запуска необходимо
опять нажать кнопку
«Пуск».
Итак, мы рассмотрели
самый обязательный
момент в работе магнитного пускателя: эта
система, состоящая из Рис. 2. Включение в цепь питания электродвигателя
кнопок основного запуска
и помимо этого являющейся системой «нулевой
защиты». Схемы управления могут получать
Рис. 3. Шунтирование кнопки «Пуск»
питание как от двухфазного переменного тока, от
которого работает наша
нагрузка (рис. 5), также и
от однофазного: если мы
берем один конец из фазы,
а другой на 0 (рис. 6).
Рис. 4. Схема — в бездействии
346
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
Рис. 5. Питание от двухфазного
переменного тока
Рис. 6. Питание от однофазного
переменного тока
В первом случае напряжение питания в катушке контактора будет
равно линейному напряжению; во втором случае катушка контактора
должна быть на напряжении, равному фазному. Т. е. если сеть у нас
380 В, то в первом случае катушка должна быть на напряжении 380 В,
во втором — на напряжении 220 В.
Помимо основных кнопок и контактов обычно в цепи управления
магнитного пускателя присутствуют дополнительные элементы управления и защиты. На нашей схеме силовой цепи мы видим обмотки
теплового реле, которые имеют свои контакты. Эти контакты служат
для защиты электродвигателя от перегрузки и имеют свои контакты,
которые устанавливаются в цепи управления включения этого электродвигателя, т. е. в эту цепь в катушке контактора (рис. 7).
Первый контакт — это замкнутый контакт теплового реле Т1;
второй — Т2. Обычно они являются нормально замкнутыми или,
можно сказать, замкну тыми по
умолчанию. При перегрузке электродвигателя ток в обмотке Т1
(если ток повысился в этой обмотке
электродвигателя), или возрос
ток Т1Т2(если перегрузка на этой
обмотке), или повысился ток в другой обмотке электродвигателя, то
повысится ток в тепловом реле Т2,
то при этом в любом случае перегрузки электродвигателя хотя бы
Рис. 7. Замкнутые контакты
одно реле разомкнет свой контакт.
теплового реле
Послесловие
347
При этом разомкнется цепь управления, катушка контактора вернется в
исходное положение, разомкнет свои
главные контакты, и электродвигатель остановится.
Также, кроме элементов защиты в
цепи управления могут присутствовать элементы управления по назначению работы нагрузки.
Рассмотрим еще три элемента, которые могут находиться в цепи управления (рис. 8). Первый элемент — уроРис. 8. Элементы, которые могут
вень, т. е. в цепь управления может
находиться в цепи управления
устанавливаться датчики уровней;
второй — может устанавливаться датчик температуры, в зависимости
от которой будет работать схема; третий — может устанавливаться
конечный выключатель (путевой), т. е. микровыключатель, который
работает от механического воздействия.
Например, если мы имеем насос для закачки в какую-либо емкость,
то наверху емкости стоит датчик верхнего уровня аварийный для того,
чтобы не перекачать выше определенного уровня. Так вот, для закачки
воды нажимаем на кнопку «Пуск», ток проходит по катушке через все
замкнутые контакты схемы, включает катушку, катушка в свое время
включает контакты электродвигателя насоса и свой блокировочный контакт. Нанос начинает качать воду. Кнопку «Пуск» мы отпускаем, электродвигатель продолжает работать. При достижении верхнего уровня (допустим, стоит поплавок с микровыключателем) вода доходит до поплавка,
поплавок поднимается, тем самым размыкает контакт на микровыключателе (рис. 9). Цепь катушки прерывается, отключаются главные контакты
и блок-контакт, и двигатель останавливается.
Для контроля температуры всей этой нашей силовой системы,
состоящей, допустим, из вентилятора и нагревательных элементов,
т.е какой-то воздушный теплонагреватель (калорифер), у нас будет
необходим контакт или автоматической работы, или для защиты от
перегрева нагревательных элементов при ручном управлении. Т. е.
все равно у нас должен присутствовать температурный контакт цепи
управления. Запускаем наш калорифер (рис. 10), ток пошел по катушке
контактора, контактор включает свои главные контакты, замыкает
блок-контакт, отпускаем кнопку «Пуск».
348
Занимательная электроника и электротехника для начинающих и не только...
Рис. 9. Контакт
на микровыключателе разомкнут
Рис. 10. Калорифер
При замыкании главных контактов у нас заработал электродвигатель вентилятора, и включились элементы нагрева. При этом начала
повышаться температура. Датчик температуры у нас пока в замкнутом состоянии, допустим, настроен на температуру 70°С. Как только
температура достигла таких пределов, т. е. если у нас ручное управление, и мы забыли выключить, то датчик температуры разрывает цепь,
контактор размыкает свои главные контакты и блок-контакт, и наш
потребитель от сети отключается.
Это самый простой пример пускателя, более сложные состоят из
большего количества элементов, контакторов, промежуточных реле.
Думаю, ничего сложного по схеме работы магнитных пускателей
такого типа ручного режима нет и в процессе усложнения таких схем
управления их можно будет понимать самостоятельно.
P. S.
Если вы не разбираетесь в работе некоторых элементов, слабоваты
в чтении схем или, вообще, боитесь на них смотреть, то найдите в себе
силы и попробуйте детально разобраться и выучить, хотя бы одну.
Затем продемонстрируйте свои знания, в рамках этой схемы, коллегам. Если что-то не понятно, у них же и спросите.
Если все получится, то, конечно, вы ощутите радость и уверенность
в себе.
Ответы тестирования
Первый шаг. Ответы на ТЕСТ по теме: «Проводники. Диэлектрики.
Емкость. Закон Ома»
№1 — в; №2 — б; №3 — б; №4 — a; №5 — a; №6 — a; №7 — в; №8 — б;
№9 — в; №10 — г; №11 — в; №12 — в; №13 — г; №14 — б; №15 — б; №16 — a;
№17 — г; №18 — б; №19 — б; №20 — г.
Второй шаг. Ответы на ТЕСТ по теме: «Соединение сопротивлений.
Закон Ома. Электрические цепи. Мощность»
№1 — б; №2 — a; №3 — г; №4 — г; №5 — в; №6 — б; №7 — б; №8 — в;
№9 — a; №10 — в; №11 — б; №12 — в; №13 — a; №14 — б; №15 — г; №16 — в;
№17 — a; №18 — б; №19 — в; №20 — a.
Третий шаг. Ответы на ТЕСТ по теме: «Магнетизм и электромагнетизм»
№1 — в; №2 — в; №3 — a; №4 — г; №5 — в; №6 — в; №7 — г; №8 — г;
№9 — б; №10 — в.
Четвертый шаг. Ответы на ТЕСТ по теме: «Переменный ток и цепи переменного тока»
№1 — г; №2 — a; №3 — в; №4 — г; №5 — б; №6 — a; №7 — г; №8 — a;
№9 — б; №10 — в.
Пятый шаг. Ответы на ТЕСТ по теме: «Трехфазный переменный ток»
№1 — б; №2 — б; №3 — б; №4 — в; №5 — в; №6 — б; №7 — a; №8 — в;
№9 — a; №10 — в.
Шестой шаг. Ответы на ТЕСТ по теме: «Трансформаторы»
№1 — г; №2 — г; №3 — б; №4 — в; №5 — a; №6 — a; №7 — в; №8 — a;
№9 — в; №10 — г.
Седьмой шаг. Ответы на ТЕСТ по теме: «Асинхронные двигатели»
№1 — a; №2 — б; №3 — в; №4 — a; №5 — в; №6 — г; №7 — б; №8 — a;
№9 — б; №10 — в.
Восьмой шаг. Ответы на ТЕСТ по теме: «Синхронные машины»
№1 — б; №2 — в; №3 — г; №4 — г; №5 — г; №6 — б; №7 — a; №8 — a;
№9 — б; №10 — в.
Девятый шаг. Ответы на ТЕСТ по теме: «Машины постоянного тока»
№1 — a; №2 — a; №3 — г; №4 — б; №5 — a; №6 — в; №7 — г; №8 — б;
№9 — в; №10 — б.
Десятый шаг. Ответы на ТЕСТ по теме: «Полупроводниковые приборы»
№1 — в; №2 — б; №3 — a; №4 — г; №5 — в; №6 — a; №7 — в; №8 — г;
№9 — a; №10 — в.
Одиннадцатый шаг. Ответы на ТЕСТ по теме: «Устройства электроники»
№1 — в; №2 — в; №3 — a; №4 — г; №5 — a; №6 — a; №7 — a; №8 — г; №9 — б;
№10 — б.
На веб-страницах
На основе данной книги создан мультимедийный диск на котором
темы раскрываются с помощью анимации, видеороликов и подкастов.
Некоторые видеоролики можно скачать и просмотреть на страницах авторского сайта «Электрокласс» (www.eleczon.ru) в разделе
«Основы электротехники и электроники» (www.eleczon.ru/ucheba/
osnovi.html), они помогут в освоении материала самоучителя.
Сайт мультимедийного диска «В мир электричества — как в первый раз!» находится по адресу: www.eltray.com.
Есть мультимедийное продолжение изучения материала также на
DVD-диске по адресу: www.eltray.com/in_world2.php
А также существует электронное издание «История изучения электричества». Первая часть — предыстория описаний и открытий, до
появления работ Вольта и Гальвани, которые вызвали у человечества
интерес к электричеству, и получили первый искусственный источник
питания — «вольтов столб». В последующих пяти частях рассказывается о тех законах, на которых основано электричество, о великих
экспериментах, повлекших появление понятия «электротехника».
Здесь, рядом с описаниями основных законов, герои истории электричества — Кулон, Ом, Кирхгоф, Ленц… Существует много книг, где
о судьбах великих изобретателей и ученых рассказано намного подробнее. Это же издание — не о судьбах замечательных людей и не о
биографии ученых-физиков, его тема — конкретные практические
действия и открытия именно в направлении электротехники.
Этот материал поможет заполнить некоторые пробелы и окажется
интересен и школьникам, и их родителям, и учителям и, конечно же,
всем тем, кто связал свою жизнь с покорением самого интересного и
загадочного явления природы (www.electricity-history.ru/).
Выбрать интересующий Вас ресурс можно на веб-странице по
адресу: www.eltray.com/vipusk-akcia-afterespond-povtor.php
Уважаемые господа!
Книги издательства «Наука и Техника»
Вы можете заказать наложенным платежом
в наших интернет-магазинах
www.nit.com.ru, www.nit-kiev.com
а также приобрести
в крупнейших магазинах г. Москвы:
ТД «БИБЛИО-ГЛОБУС»
ул. Мясницкая, д. 6/3, стр. 1,
ст. М «Лубянка»
тел. (495) 781-19-00,
624-46-80
Московский Дом Книги,
ул.Новый Арбат, 8, ст. М «Арбатская»,
«ДК на Новом Арбате»
тел. (495) 789-35-91
Московский Дом Книги, Ленинский пр., д. 40,
ст. М «Ленинский пр.»,
«Дом технической книги»
тел. (499) 137-60-19
Московский Дом Книги, Комсомольский пр., д. 25,
ст. М «Фрунзенская»,
«Дом медицинской книги»
тел. (499) 245-39-27
Дом книги «Молодая гвардия»
ул. Б. Полянка, д. 28, стр. 1,
ст. М «Полянка»
тел. (499) 238-50-01
Сеть магазинов «Новый книжный»
тел. (495) 937-85-81, (499) 177-22-11
в крупнейших магазинах г. Санкт-Петербурга:
Санкт-Петербургский Дом Книги Невский пр. 28
тел. (812) 448-23-57
«Энергия»
Московский пр. 57
тел. (812) 373-01-47
«Аристотель»
ул. А. Дундича 36, корп. 1
тел. (812) 778-00-95
Сеть магазинов «Книжный Дом»
тел. (812) 559-98-28
в регионах России:
г. Воронеж, пл. Ленина д. 4
г. Екатеринбург,
ул. Антона Валека д. 12
г. Екатеринбург
г. Нижний Новгород,
ул. Советская д. 14
г. Смоленск, ул. Октябрьской
революции д. 13
г. Челябинск, ул. Монакова, д. 31
г. Хабаровск
«Амиталь»
(4732) 24-24-90
«Дом книги»
Cеть магазинов
«100 000 книг на Декабристов»
(343) 253-50-10
(343) 353-09-40
«Дом книги»
(831) 277-52-07
«Кругозор»
«Техническая книга»
Сеть книжно-канцелярских
магазинов фирмы «Мирс»
(4812) 65-86-65
(904) 972 50 04
(4212) 26-87-30
и на Украине (оптом и в розницу) через представительство издательства
www.nit-kiev.com
e-mail: nitkiev@gmail.com
Мы рады сотрудничеству с Вами!
Последние комментарии
13 часов 56 минут назад
16 часов 13 минут назад
1 день 6 часов назад
1 день 6 часов назад
1 день 12 часов назад
1 день 15 часов назад