Расчет цепи постоянного и переменного тока. Приборы электромагнитной системы, их устройство, принцип действия, назначение. Биполярные транзисторы, их устройство, способы включения, параметры и характеристики

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Расчет цепи постоянного и переменного тока. Приборы электромагнитной системы, их устройство, принцип действия, назначение. Биполярные транзисторы, их устройство, способы включения, параметры и характеристики

Ю. Андреев



1. Расчет цепи постоянного тока

1. В соответствии со своим вариантом выбрать схему цепи.

2. Параметры элементов цепи и напряжение питания цепи выбрать в соответствии со своим вариантом из таблицы 1.

3. Определить силу тока в каждой ветви.

4. Определить энергию, расходуемую цепью за 8 часов работы.

5. Проверить правильность найденных токов одним из способов: составлением баланса мощности цепи, проверкой законов Кирхгофа для узлов и контуров цепи.

6. Произвести, обрыв одной из ветвей цепи и объяснить изменения в работе цепи.

7. Произвести короткое замыкание одной из ветвей цепи и объяснить изменения в работе цепи.

Таблица 1 - Параметры элементов цепей

R1, Ом	R2, Ом	R3, Ом	R4, Ом	R5, Ом	Uвх, В	Схема №
20	50	7	4	6	220	4

Рис. 1.1. Расчетная схема

Решение:

Обозначим на схеме узлы и токи в ветвях. Параллельно соединенные сопротивления заменим общим эквивалентным сопротивлением



После такого упрощения схема примет вид на рис. 1.2:

Рис. 1.2. Схема после упрощения

В этом случае общее сопротивление всей цепи из последовательно соединенных сопротивлений будет равно

Ток на входе цепи

Так как через последовательно соединенные элементы протекает ток одной и той же величины, то из рис. 1.2 следует, что

Определяем напряжение на участке между узлами а и b:



Тогда по рис. 1.1 находим остальные токи:

Энергия, потребляемая за 8 часов работы:

Для проверки правильности найденных токов составим баланс мощностей:

мощность источника равна

суммарная мощность потребителей

С незначительной погрешностью от округлений промежуточных вычислений баланс выполняется.

Произведем обрыв ветви с сопротивлением R2. В этом случае схема примет вид на рис. 1.3:



Рис. 1.3. Обрыв ветви с сопротивлением R2

В этом случае цепь получается разомкнутой, т.е. ее сопротивление будет равно бесконечности. Соответственно, никакие токи в цепи протекать не будут.

Произведем замыкание ветви с сопротивлением R3. В этом случае схема примет вид на рис. 1.4:

Рис. 1.4. Замыкание ветви с сопротивлением R3

В этом случае участок ab получится закороченным, так как сопротивления соединены параллельно. И общее сопротивление цепи будет равно в этом случае

Величина тока через все оставшиеся элементы будет равна, т.к. они последовательно соединены и составит:



Т.е. ток в цепи увеличится.

2. Расчет цепи переменного тока

Цепь переменного тока содержит различные элементы (резисторы, индуктивности, емкости), включенные последовательно.

Определить следующие величины, относящиеся к данной цепи, если они не заданы в таблице: 1) Полное сопротивление z; 2) Напряжение U, приложенное к цепи; 3) Ток I; 4) Угол сдвига фаз ц (по величине и знаку); 5) Активную Р, Реактивную Q и полную S мощности цепи. Начертить в масштабе векторную диаграмму цепи и пояснить ее построение.

Таблица 2 - Параметры элементов цепей

Номер рисунка	R1, Ом	R2, Ом	XL1, Ом	XL2, Ом	XС1, Ом	XС2, Ом	Дополнительный параметр
4	6	2	6				PR1 = 150 Вт

Рис. 2.1. Расчетная схема

Решение:

1. Определяем полное сопротивление цепи:



2. Определяем ток в цепи по заданной мощности на сопротивлении и напряжение на входе:

электрический биполярный транзистор катушка

3. Находим коэффициент мощности цепи. Во избежание потери знака угла определяем:

Определяем коэффициент мощности

4. Определяем активную, реактивную и полную мощности цепи:

или как

Реактивная

Полная

Или

5. Определяем падения напряжения на элементах цепи:

Построение векторной диаграммы начинаем с выбора масштаба для тока и напряжения. Задаемся масштабом по току: в 1 см - 1,0 А и масштабом по напряжению: в 1 см - 4 В. Построение векторной диаграммы (рис. 2.2) начинаем с вектора тока, который откладываем по горизонтали в масштабе
5 А/1 А/см = 5 см.

Вдоль вектора тока откладываем векторы падений напряжения на активных сопротивлениях UR1 и UR2: 30 В/4В/см = 7,5 см; 10 В/4 В/см = 2,5 см. Из конца вектора UR откладываем в сторону опережения вектора тока на 90° вектор падения напряжения UL1 на индуктивном сопротивлении длиной 30 В/4 В/см = 7,5 см. Геометрическая сумма векторов UR1, UR2, UL1 равна полному напряжению, приложенному к цепи.



Рис. 2.2. Векторная диаграмма

3. Приборы электромагнитной системы, их устройство, принцип действия, назначение

Электромагнитные измерительные приборы -- приборы, основанные на свойстве магнитного поля втягивать ферромагнитные тела, например, мягкую сталь. При пропускании тока через катушку в ней возникает магнитное поле, которое стремится втянуть внутрь катушки стальной якорь, связанный со стрелкой прибора.

Стрелка удерживается в начальном положении спиральной пружиной. По отклонению стрелки можно судить о силе проходящего через катушку тока. Т. к. катушка с током втягивает якорь независимо от того, питается ли она постоянным или переменным током, то электромагнитные измерительные приборы со сталью одинаково пригодны для измерения как постоянного, так и переменного токов.

Электромагнитный прибор имеет электромагнитный измерительный механизм с неподвижной катушкой, по обмотке которой протекает электрический ток, и один или несколько ферромагнитных сердечников, установленных на оси.

Электромагнитные измерительные приборы используют в амперметрах, вольтметрах, частотометрах и фазометрах.

Электромагнитные приборы изготавливают либо с плоской, либо с круглой катушкой. Плоскую неподвижную катушку (рис. 1, а) наматывают обычно из толстой проволоки 1 на неферромагнитный каркас 2 так, что внутри нее образуется воздушный зазор. Рядом с зазором располагают ферромагнитную пластинку 7, ось пластинки расположена асимметрично, на оси крепят стрелку 8 прибора, перемещающуюся вдоль шкалы 3 прибора. На оси укреплены противодействующая пружина 6 и алюминиевый сектор 5, который может поворачиваться в поле постоянного магнита 4.

Рис. 3.1

Электромагнитный прибор с круглой катушкой устроен следующим образом. Из толстой проволоки намотана круглая катушка 10 (рис. 3.2, б) с воздушным центральным зазором. Внутри зазора неподвижно расположена ферромагнитная пластина 11, а на оси закреплена вторая, но уже подвижная ферромагнитная пластина 12. На оси пластины 12 закреплены противодействующая пружинка 13 и стрелка 14 прибора. Для создания противодействующего момента закрепляют на оси алюминиевый сектор и устанавливают постоянный магнит - на рисунке не показаны.

Рис. 3.2. Электромагнитный измерительный механизм: а - с плоской катушкой, б - с круглой катушкой

Достоинства электромагнитных измерительных приборов.

Угол отклонения стрелки электромагнитного измерительного прибора зависит от квадрата тока. Это говорит о том, что приборы электромагнитной системы могут работать в цепях постоянного и переменного тока.

При протекании по катушке переменного тока подвижный сердечник перемагничивается одновременно с изменением направления магнитного поля, и направление вращающего момента не меняется, то есть изменение знака тока не влияет на знак угла отклонения. Показание прибора в цепи переменного тока пропорционально действующим значениям измеряемых величин. Электромагнитные измерительные приборы просты по устройству, дешевы, особенно щитовые. Они могут непосредственно измерять большие токи, так как катушки у них неподвижны и их легко изготовить из проводов с большой площадью сечения.

Промышленность изготовляет амперметры электромагнитной системы для непосредственного включения на токи до 150 А.

Электромагнитные измерительные приборы выдерживают не только кратковременные, но и длительные перегрузки, если таковые возникают в процессе измерения.



Рис. 3.3

Недостатки электромагнитных измерительных приборов.

К недостаткам электромагнитных измерительных приборов можно отнести: неравномерность шкалы и относительно низкую чувствительность при измерении малых токов, то есть сравнительно низкую точность измерения в начале шкалы, зависимость показаний приборов от влияния внешних магнитных полей, низкий частотный диапазон измерений, большую чувствительность приборов к колебаниям частот тока и большое их собственное потребление (достигающее 2 Вт у амперметров на токи до 10 А и 3 - 20 Вт у вольтметров в зависимости от напряжения).

У многих приборов шкала близка к равномерной.

Электромагнитные измерительные приборы подвержены влиянию внешних магнитных полей, так как имеют очень слабое собственное магнитное поле. Дело в том, что катушки изготовляют без ферромагнитных сердечников, поэтому создаваемое в них магнитное поле замыкается по воздуху, а известно, что воздух представляет собой, среду с очень большим магнитным сопротивлением. Для устранения влияния магнитных полей широко используют различные магнитные экраны или изготовляют приборы в астатическом исполнение.

В астатических измерительных приборах вместо одной катушки с сердечником применяют две неподвижные катушки и два сердечника, соответственно насаженных на одну ось со стрелкой. Обмотки катушек соединены между собой последовательно и так, что при прохождении через них измеряемого тока в них создаются магнитные потоки, направленные навстречу один другому.

Если измерительный прибор оказывается во внешнем магнитном поле, то оно усиливает магнитное поле у одной катушки и уменьшает у другой. Следовательно, увеличение вращающего момента у одной катушки компенсируется таким же уменьшением вращающего момента у второй. Так компенсируется влияние внешнего однородного магнитного поля. Если внешнее магнитное поле неоднородно, то происходит только частичная компенсация.

Рис. 3.4

4. Биполярные транзисторы, их устройство, способы включения, параметры и характеристики

Основной функцией биполярного транзистора (БТ) является увеличение мощности входного электрического сигнала. Эти полупроводниковые радиокомпоненты появились, как альтернатива электровакуумных триодов, и со временем практически вытеснили их из отрасли. Справедливости ради заметим, что лампы применяются и до сих пор, но в очень и очень узком сегменте аппаратуры специального назначения. В массовой же радиотехнике используются, в основном, транзисторы - биполярные и их ближайшие «родственники» полевые.

Ключевое преимущество этих элементов состоит в миниатюрности. Электровакуумный усилитель со схожими характеристиками оказывается в несколько раз крупнее биполярного транзистора. Вследствие этого применение БТ в радиоэлектронике приводит к существенному уменьшению габаритных размеров конечной радиотехнической продукции.

Биполярным данный транзистор называется из-за того, что в физических процессах, протекающих во время его функционирования, участвуют оба типа носителей заряда - и электроны, и дырки. Это оказывает влияние на принцип управления выходным сигналом. В биполярных транзисторах выходными параметрами управляет ток, а не электрическое поле, как в полевых (униполярных).

Устройство биполярного транзистора.

Рис. 4.1

Этот полупроводниковый триод состоит из 3 частей - эмиттера, коллектора и базы. Таким образом, ключевыми элементами биполярного транзистора являются два p-n-перехода, а не один, как в полевых. Эмиттер исполняет функцию генератора носителей заряда, которые формируют рабочий ток, стекающий в приёмник - коллектор. База необходима для подачи управляющего напряжения.

Если рассматривать плоскую модель БТ, то радиокомпонент представляет собой две области с p- или n-проводимостью (эмиттер и коллектор), разделённые тонким слоем полупроводника с проводимостью обратного знака (база). Полупроводниковый кристалл со стороны коллектора физически крупнее. Такое соотношение обеспечивает правильную работу биполярного транзистора.

В зависимости от типа проводимости эмиттера, коллектора и базы различают PNP- и NPN-транзисторы. В принципе, они функционируют одинаково с той лишь разницей, что к ним прикладываются напряжения разной полярности. Выбор того или иного вида БТ определяется особенностями конкретных радиотехнических устройств.

Принцип работы биполярного транзистора.

При подключении эмиттера и коллектора к источнику питания создаются почти все условия для протекания тока. Однако свободному перемещению носителей заряда препятствует база, и для устранения этой помехи на неё подаётся напряжение смещения. В базовом слое полупроводника возникают физико-химические процессы электронно-дырочной рекомбинации, в результате которой через базу начинает течь небольшой ток. В результате p-n-переходы открывают путь потоку носителей заряда от эмиттера к коллектору.

Если ток, протекающий через базу, меняется по какому-то закону, то точно так же изменяется и мощный ток между эмиттером и коллектором. Следовательно, мы получаем на выходе биполярного транзистора такой же сигнал, как и на базе, но с более высокой мощностью. В этом и состоит усилительная функция биполярного транзистора.

Схемы включения биполярных транзисторов.



Рис. 4.2

Полупроводниковый триод может включаться в электрическую цепь по одной из трёх схем - с общим эмиттером, с общим коллектором и с общей базой. В зависимости от способа подключения различаются электрические параметры транзистора, что определяет выбор схемы в каждом конкретном случае.

При включении биполярного транзистора с общим эмиттером достигается максимальное усиление входного сигнала. Благодаря этому данная схема в усилительных каскадах применяется чаще всего.

Схема с общим коллектором по-другому называется эмиттерным повторителем. Это связано с тем, что разность потенциалов на коллекторе и эмиттере оказываются практически равными. При таком включении наблюдаются большое усиление по току, высокое входное сопротивление и совпадение фаз входного и выходного сигналов. Вследствие этого эмиттерные повторители используются в согласующих и буферных усилителях.

При включении БТ по схеме с общей базой отсутствует усиление по току, но значительным оказывается усиление по напряжению. Особенностью данного способа является малое влияние транзистора на сигналы высокой частоты. Это делает схему с общей базой предпочтительной для использования в устройствах СВЧ.

Основные параметры биполярных транзисторов:

ь Максимально допустимый постоянный ток коллектора;

ь Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером при заданном токе коллектора и сопротивлении в цепи база-эмиттер;

ь Максимальное напряжение между коллектором и эмиттером при заданном токе коллектора и токе базы, равным нулю;

ь Максимальное напряжение коллектор-база при заданном токе коллектора и токе эмиттера, равным нулю;

ь Максимально допустимое постоянное напряжение эмиттер-база при токе коллектора, равном нулю;

ь Максимально допустимая постоянная мощность, рассеивающаяся на коллекторе;

ь Статический коэффициент передачи тока;

ь Напряжение насыщения между коллектором и эмиттером;

ь Обратный ток коллектора. Ток через коллекторный переход при заданном обратном напряжении коллектор-база и разомкнутом выводе эмиттера;

ь Обратный ток эмиттера. Ток через эмиттерный переход при заданном обратном напряжении эмиттер-база и разомкнутом выводе коллектора;

ь Граничная частота коэффициента передачи тока;

ь Коэффициент шума;

ь Емкость коллекторного перехода;

ь Максимально допустимая температура перехода.



Литература

1. Евдокимов Ф.Е. Теоретические основы электротехники. - М.: Высшая школа, 2001.

2. Частоедов Л.А. Электротехника. М.: УМК МПС России, 1999.

3. Попов В.С. Теоретическая электротехника: для учащихся техникумов. - М.: Энергоатомиздат, 1990.

4. Данилов И.А., Иванов П.М. Общая электротехника: программирование учебного пособие. - М.: Высшая школа, 2002.

5. Барсов И.Н. Теоретические основы электротехники, кн.1, кн.2 - М.: Энергоатомиздат, 1992.

Размещено на Allbest.ru

...