Дисциплина: Основы э лектротехники и электроники

кафедры
Промышленного менеджмента (ИЭУиП)


Электротехника и электроника

8шт,
консультации по курсовой работе – в течении семестра

САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА:
1. Курсовая работа.
2. Подготовка к выполнению и защите лабораторных работ.
3. Самостоятельное изучение отдельных разделов курса.

Электротехника и электроника

Дисциплина изучается в 4 - семестре

Основы электротехники. Темы:
1.1. Электрические и магнитные цепи .
Основные понятия и

определения. Законы Ома и Кирхгофа. Расчет эквивалентных сопротивлений пассивных двухполюсников. Методы расчета цепей постоянного тока.

1.2. Электрические цепи переменного тока
Способы представления синусоидальных электрических величин. Понятие об угле сдвига фаз. Метод векторных диаграмм в расчетах цепей переменного тока. Однофазные цепи. Анализ и расчет однофазных цепей.
Резонансные явления в цепях переменного тока.

1.3. Трехфазные цепи
1.3.1. Соединение элементов трехфазной цепи звездой.
1.3.2. Соединение элементов трехфазной цепи треугольником.

1.4. Переходные процессы.

1.5. Электромагнитные устройства и электрические машины.
1.5.1. Трансформаторы
1.5.2. Электрические машины: классификация, принцип действия и конструктивные особенности
1.5.3. Основы электропривода.
1.5.4. Основы электробезопасности и энергосбережения

Раздел 2. Основы электроники Темы:

2.1. Элементная база современных электронных устройств.
Электрофизические свойства полупроводников. Собственная и примесная проводимость. Электронно-дырочный переход и его свойства. Вольтамперная характеристика. Устройство и типы диодов, их применение. Общие сведения о полевых транзисторах. Тристоры, работа, маркировка, применение.

2.2. Основы аналоговой электроники
2.1. Выпрямители.
2.2. Понятие об электронных усилителях.

2.3. Основы цифровой электроники
Логические переменные и логические функции.
Комбинационные и последовательностью схемы. Устройства на микропроцессорах.

РЕЙТИНГОВОЙ СИСТЕМОЙ ОЦЕНОК
1.Учебный цикл.
Учебный семестр подразделяется на 2 учебных модуля,

каждый из которых заканчивается аттестацией путем компьютерного тестирования. Продолжительность первого модуля:1-8 неделя, второго:9-16 неделя. Учебный цикл заканчивается итоговой аттестацией - экзаменом путем компьютерного тестирования или по билетам.
2 Бальная шкала.
В университете действует следующая шкала балльно-рейтинговой оценки для дисциплины:
86 - 100 баллов − «отлично», 76 – 85 баллов − «хорошо», 51 – 75 баллов − «удовлетворительно».
3. Распределение баллов на дисциплину по семестру.
Экзамен оценивается в 50 баллов. Студент считается сдавшим экзамен, если он на экзамене получил не менее 25 баллов.
Остальные 50 баллов распределяются между двумя промежуточными контрольными мероприятиями после 8-ой неделе и после 16 неделе. На каждое из них отводится по 25 баллов, из них 17 баллов за тестирование по теоретическому курсу и 8 баллов за своевременное и успешное выполнение и защиту лабораторных работ
На одну лабораторную работу выделяется 2 балла. Из них 1 балл за своевременное выполнение и еще 1 балл за своевременную сдачу теоретической части и оформленного отчета работы. Своевременным выполнением считается выполнение в составе группы по расписанию, своевременной сдачей − сдача до проведения следующей лабораторной работы. Пропуск занятия без уважительных причин отмечается оценкой 0 баллов с отработкой в конце семестра -1 балл.
Активность студентов на занятиях оценивается с максимальной оценкой в 10 дополнительных баллов.
«Стоимость» в баллах вопросов в билете на экзамене (зачете), устанавливается преподавателем индивидуально. Оценка за каждый вопрос проставляется дифференцированно с учетом дополнительных вопросов по теме вопроса.
4. Контроль учебной работы студента.
Сроки контрольных мероприятий: промежуточных - 8, 16, неделя и итоговый контроль на экзамене.
Отсутствие студента на промежуточном контроле без уважительной причины оценивается нулевым баллом.
Если контрольное мероприятие пропущено по уважительной причине (например, болезнь, подтвержденная справкой медицинского учреждения), то снижение баллов при дополнительном выполнении контрольного мероприятия не производится. Для таких студентов организуется ликвидация задолжностей в дополнительное время.

Электротехника и электроника

С. Курс электротехники: учебник для вузов/ А. С. Касаткин, М.

В. Немцов.- 10-е изд., стер. - М.: Высш. шк., 2009. - 524с.: ил.
2. Сборник задач по электротехнике и основам электроники / под ред.В. Г. Герасимова. – М.: Высш. шк., 1987. – 253 с.
3. Основы промышленной электроники / под ред. В. Г. Герасимова. –М.: Высш. шк., 1986. – 336 с.

Дополнительная:
1. Атабеков Г. И. Теоретические основы электротехники. Ч.1. Линейные электрические цепи. – М.: Энергия, 1978.
2. Кучумов А.И.. Электроника и схемотехника: Учебное пособие.- М.:Гелиос , 2005.
3. Погодин Д.В., Насырова Р.Г, Краев В.В.. Электротехника. Учебное пособие по дисциплине «Электротехника и электроника». Казань, Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2005. 154с..
4. Материалы в электронном виде.

приборами. Погодин Д.В. 2010.
2. Исследование частотных характеристик простейших цепей. Погодин

Д.В., Краев В.В. 2010.
3. Исследование переходных характеристик простейших цепей. Погодин Д.В., Краев В.В. 2010.
4. Исследование характеристик одиночных колебательных контуров. Погодин Д.В., Краев В.В. 2010.
5. Исследование полупроводниковых диодов. Погодин Д.В. Насырова Р.Г. 2010.
6. Биполярные транзисторы. Погодин Д.В. Насырова Р.Г. 2011.
7. Исследование усилителя с RC-связью. Погодин Д.В. 2011.
8. Линейные устройства на ОУ. Погодин Д.В.. 2011.
9. Компараторы напряжений. Евдокимов Ю. К. 2001.
Пособия к выполнению курсовой работы:
1. Погодин Д.В., Насырова Р.Г. Расчет частотных и переходных характеристик электрических цепей. Учебное пособие к курсовой и расчетно-графическим работам. Изд-во Казан. гос. тех. ун-та. Казань. 2005 г.
2.
Пособия для самоподготовки:
1. Учебное пособие для самоподготовки к тестированию по Электротехнике. Погодин Д.В., 2009
2. Учебное пособие для самоподготовки к тестированию по Электротехнике. Погодин Д.В., 2009

Электротехника и электроника

целей.
Основными задачами электротехники являются генерирование, передача на расстояние и преобразование

электрической энергии в механическую, световую, тепловую, химическую и другие формы энергии.
В электротехнике применяются два способа описания электромагнитных явлений: при помощи понятий теории поля и теории электрических цепей. Выбор способа описания диктуется условиями постановки задачи.
Теория поля оперирует понятиями плотность тока, напряженности электрического и магнитного поля и описывает электромагнитные процессы уравнениями в частных производных (уравнения Максвелла) решение которых затруднительно даже в простейших случаях.
Теория цепей исходит из приближенной замены реального электротехнического элемента идеализированной моделью — схемой замещения. Процессы в цепи описываются - напряжениями и токами.
Электрической цепью называется совокупность устройств - элементов, предназначаемых для прохождения электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий напряжения и тока.
В общем случае электрическая цепь состоит из трех составляющих: 1. источников, 2. приемников электрической энергии и 3. промежуточных звеньев связывающих источники с приемниками (проводов, измерительных приборов и аппаратов),.
Источниками электрической энергии являются гальванические элементы, аккумуляторы, термоэлементы, генераторы и т.д., в которых происходит процесс преобразования химической, молекулярно-кинетической,, механической или другого вида энергии в электрическую. К источникам можно отнести и приемные антенны.
Приемниками электрической энергии (их называют нагрузкой) являются различные исполнительные устройства (электрические лампы, электронагревательные приборы, электрические двигатели и другие устройства). В них электрическая энергия превращается в световую, тепловую, механическую и т. п. К нагрузкам относятся и передающие антенны, излучающие электромагнитную энергию в пространство.
Электротехника имеет два направления. Они имеют общую физическую основу, но направлены на решение различных технических задач.
Силовая электротехника – это производство и передача электрической энергии и преобразование ее в другие виды: механическую, тепловую, световую.
Информационная электротехника направлена на использование электрических явлений для передачи и обработки информации. Второе направление называют радиоэлектроникой, информационной электроникой, оно изучается в курсе «Теория электрических цепей» и рассмотрено в настоящем пособии.

Электротехника и электроника

определенным образом и предназначенных для протекания тока в них.

Схема

электрической цепи – это условно - графическое изображение электрической цепи.

Различают три типа электрических схем:
1. Структурная схема – это условное графическое изображение реальной цепи в виде прямоугольников или условно-графических обозначений (УГО), отражающих только важнейшие функциональные части цепи и основные связи между ними (рис.1.1).
2. Принципиальная схема - представляет собой графическое изображение реальной цепи показывающее в виде УГО все элементы цепи и порядок соединения между ними.
Каждый реальный элемент имеет свое УГО и буквенное обозначение.

3. Схема замещения, или эквивалентная схема - это рисунок составленный из УГО идеализированных элементов, которые замещают реальную цепь (элементы) в рамках решаемой задачи.

Каждый идеализированный элемент имеет свое УГО и буквенное обозначение

Электротехника и электроника

это упорядоченное движение электрических зарядов под действием сил электрического поля.

За положительное направление тока принимается движение положительных зарядов.
Количественно ток - это количество заряда перенесенное через поперечное сечение проводника в единицу времени.
Постоянный во времени ток обозначают I, а переменный во времени i.
Если q(t)-переносимый заряд через сечение элемента в момент t, то мгновенное значение тока равно скорости изменения заряда во времени:

Если переносимый заряд постоянный Q во времени,
то ток постоянный:

Единица измерения тока в системе СИ – ампер (А, мА, μА, нА и т.д.).
Направление тока на участке цепи указывается стрелкой на проводнике

Электротехника и электроника

направление напряжение принимается направление в сторону меньшего потенциала.
Положительное направление показывают

стрелкой параллельно участку цепи.

Электрический потенциал – это энергия на перемещение единичного положительного заряда из бесконечности в заданную точку цепи, обозначают φ, единица измерения - [B].

Напряжение – это разность потенциалов u12 = φ1 – φ2 между двумя точками цепи или количество энергии, затрачиваемой на перемещение единичного положительного заряда из одной точки в другую:

Электрические величины и единицы их измерения

.

Мгновенная мощность участка цепи:



Электрические величины и

единицы их измерения

Мощность измеряется в ваттах (Вт).

что участок цепи потребляет энергии.
Такие участки цепи называют пассивными.

При несовпадении знаков напряжения и тока мощность отрицательна. Это означает, что участок цепи является источником энергии.
Такие участки цепи называют активными.

Электрические величины и единицы их измерения

элементов, в которых при протекании электрического тока происходят сложные энергетические

явления, связанные с преобразованием энергии. Для упрощенного описания процессов, происходящих в реальных элементах, их считают идеализированными, т.е. предполагают, что каждый идеализированный элемент обладает лишь одним каким-либо свойством: либо поглощать или накапливать энергию, либо создавать.
В электротехнике все элементы считаются идеализированными. Для отображения свойств реальных элементов составляют схему из ряда идеальных. Такие схемы называют схемами замещения (эквивалентная схема).
Пассивными - называют элементы не создающим электрической энергии, они способны ее поглащать (это активные пассивные элементы) или накапливать в виде электрического или магнитного поля (это реактивные пассивные элементы)
Активные элементы способны создавать электрическую энергию.

3.1. Способы описания свойств элементов электрических цепей
Существует три основных способа описания свойств элементов электрических цепей:
Аналитический – в виде электрической характеристики (уравнения) элемента. Это зависимость между физическими величинами, определяющими принцип работы элемента. Например, для сопротивления I = U/R, для емкости Q=CU, для индуктивности ψ=LI.
2. Графический – это график аналитического выражения электрической характеристики.
Для линейного сопротивления вольт-амперная характеристика (ВАХ) приведена на рис. 3.3., а ниже приведены ВАХ нелинейного элемента.
3. Параметрический – здесь свойства элемента задаются параметром элемента, который определяется из электрической характеристики, как отношение отклика к воздействию:
, например ,


где воздействие – электрическая величина, которая воздействует на элемент; отклик появляется в результате воздействия. Параметр элемента есть отношение отклика к воздействию.
В зависимости от характера входного сигнала различают три вида параметров: статические, дифференциальные и комплексные.

Электротехника и электроника

ранее. Рассмотрим зависимые:
Источник напряжения управляемый напряжением (ИНУН)

Источник тока управляемый током

(ИТУТ)

Источник тока управляемый напряжением (ИТУН)

Источник напряжения управляемый током (ИНУТ)

Независимых ветвей Ny=y-1, где у- общее число ветвей.

Ветвь –

участок цепи между двумя узлами по элементам которого протекает общий ток.
В простейшем случае ветвь состоит из одного элемента или из элементов соединенных последовательно.
Общее число ветвей схемы –в.

Контур –состоит из ветвей которые образуют замкнутый путь для протекающего тока.
Число независимых контуров Nк=в-у+1-m, где в -число ветвей, у- число узлов схемы, m - число источников тока.

Узлы и ветви называются независимыми если отличаются одной ветвью.

параметрами элементов в неразветвленной электрической цепи и позволяет рассчитывать в

них токи. Рассмотрим три формулировки закона Ома.
1. Закон Ома для участка цепи не содержащего источников ЭДС.
Немецкий физик Г. Ом (1787-1854) экспериментально установил, что ток на пассивном участке цепи с полным сопротивлением R (рис.1.3а) определяется соотношением (1.1):
где u - потенциалы на выводах участка цепи в узлах а и в, - падение напряжения на участке цепи.











Рис.1.3 а) б) в)

2. Обобщенный закон Ома для участка цепи, содержащего источники ЭДС (рис.1.3б), выражается уравнением
На пассивном участке положительное направление тока и напряжения совпадают.
Для записи закона Ома: 1. выбирают положительное направление тока,
2. ЭДС Е и напряжение в выражении (1.3) записывают со знаком плюс, если их направления совпадают с направлением тока, и со знаком минус, когда их направления противоположны направлению тока.
Если при расчете ток окажется с отрицательным знаком, то действительные направления тока противоположно первоначально выбранному направлению.
3. Закон Ома для полной цепи (рис.1.3в), т.е. для замкнутой цепи (для контура): ток в простой одноконтурной цепи выражается уравнением (1.4)
где - алгебраическая сумма ЭДС источников ЭДС в контуре. ЭДС в выражении (1.4) берутся со знаком "плюс" если выбранное направление тока и ЭДС совпадают и со знаком "минус" если не совпадают; - арифметическая сумма всех резисторов контура. 

параметрами элементов в неразветвленной электрической цепи и позволяет рассчитывать в

них токи. Рассмотрим три формулировки закона Ома.
1. Закон Ома для участка цепи не содержащего источников ЭДС.
Немецкий физик Г. Ом (1787-1854) экспериментально установил, что ток на пассивном участке цепи с полным сопротивлением R (рис.1.3а) определяется соотношением 1.3а
где φа, φв- потенциалы на выводах участка цепи в узлах а и в, u= φа - φв- падение напряжения на участке цепи.











Рис.1.3 а) б) в)

2. Обобщенный закон Ома для участка цепи, содержащего источники ЭДС (рис.1.3б), выражается уравнением 1.3б
На пассивном участке положительное направление тока и напряжения совпадают.
Для записи закона Ома: 1. выбирают положительное направление тока, 2. ЭДС Е и напряжение в выражении (1.3) записывают со знаком плюс, если их направления совпадают с направлением тока, и со знаком минус, когда их направления противоположны направлению тока.
Если при расчете ток окажется с отрицательным знаком, то действительные направления тока противоположно первоначально выбранному направлению.
3. Закон Ома для полной цепи (рис.1.3в), т.е. для замкнутой цепи (для контура): ток в простой одноконтурной цепи выражается уравнением (1.4)
где - алгебраическая сумма ЭДС источников ЭДС в контуре. ЭДС в выражении (1.4) берутся со знаком "плюс" если выбранное направление тока и ЭДС совпадают и со знаком "минус" если не совпадают; - арифметическая сумма всех резисторов контура. 

связь между токами, сходящимися в узле (рис.1.4а) электрической цепи:
алгебраическая

сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю:
где n — число ветвей, подключенных к узлу.
При записи уравнений по первому закону Кирхгофа токи, направленные к узлу, берут, обычно со знаком «плюс», а токи, направленные от узла, - со знаком «минус» или наоборот.
Например, для узла на рис.1.4а:.

Если в процессе решения ток оказался с отрицательным знаком, значит его направление противоположно выбранному.
Число независимых уравнений по первому закону Кирхгофа
где у- число ветвей схемы

Рис. 1.4. Схема, поясняющие применение первого закона Кирхгофа

ЭДС равна алгебраической сумме падений напряжения на всех элементах контура

(1.6), где n - число источников ЭДС в контуре, m - число пассивных элементов в контуре, - напряжение или падение напряжения на k-м элементе контура.
Второй закон Кирхгофа устанавливает связь между напряжениями на элементах контура электрической цепи (рис.1.4б). Он имеет две формулировки.
Формулировка 2: алгебраическая сумма напряжений на всех элементах контура, включая источники ЭДС, равна нулю, т. е. .(1.7).
При записи уравнений по второму закону Кирхгофа необходимо:
задать условно-положительные направления, токов и напряжений на элементах;
выбрать условно-положительное направление обхода контура, обычно по часовой стрелки, его показывают дугой в контуре;
записать уравнение, пользуясь одной из формулировок, причем слагаемые, входящие в уравнение, берут со знаком «плюс», если их условные положительные направления совпадают с направлением обхода контура, и со знаком «минус», если они противоположны.
Число независимых уравнений по второму закону Кирхгофа, равно числу независимых контуров: Nк=в-у+1-m.
Например, для контура (рис.1.4б) при указанном направлении обхода уравнения имеют вид

или -(формулировка 1)

или -формулировка 2)

электрической цепи состоит в отыскании откликов y(t), т.е. токов и напряжений

на интересующих нас участках цепи по заданной схеме
и воздействиям x(t). Схематично задача анализа показана на рис. 4.25.
Задача анализа имеет единственное решение (она однозначна).
В общем виде в электротехнике задача анализа состоит в нахождении
токов во всех ветвях схемы.

2) Задача синтеза электрической цепи состоит в отыскании схемы цепи (структуры цепи) и параметров ее элементов по заданным откликам и воздействиям. Схематично задача синтеза показана на рис. 4.26.
Задача синтеза сложнее задачи анализа и обычно
неоднозначна, т.е. можно создать ряд схем с одной и той же функцией цепи. Окончательный вариант схемы выбирается на основе дополнительных требований к ней. Рис. 4.26
Например:
1) Синтезировать схему при минимальной стоимости ее деталей;
2) Синтезировать пассивную схему, используя только элементы R и C.

3). Обратная задача состоит в отыскании воздействия,
когда известен сигнал на выходе цепи и схема электрической цепи.
Схематично задача синтеза показана на рис. 4.27.

с освоения энергии постоянного тока (гальванические элементы).
В настоящее время

устройства постоянного тока имеют большое практическое применение на транспорте (двигатели подъемных механизмов, трамваев, троллейбусов, электровозов, электрокар), при электрохимическом получении металлов (электролизные ванны), в космической технике, в радиоэлектронике, компьютерной технике и т.д.
Применение высоковольтных ЛЭП постоянного тока большой протяженности экономически оказывается более целесообразно, чем ЛЭП переменного тока.
В настоящее время основными источниками постоянного напряжения (ИПН) являются: 1.- выпрямительные преобразователи (выпрямители), 2. - химические аккумуляторы, 3.- электромашинные генераторы постоянного тока, 4. – источники, преобразующие энергию Солнца при помощи фотоэлементов, 5. – магнитогидродинамические генераторы (МГД-генераторы) и т.д.
Задача анализа цепи постоянного тока состоит в определении токов и напряжений на всех участках электрической цепи. При этом схема цепи и параметры ее элементов (ВАХ источников и потребителей энергии, электрические сопротивления токопроводов и др.) считаются известными.

Особенности режима постоянного тока в электрических цепях.

При расчете электрических цепей в режиме постоянного тока:
Напряжения на зажимах любой индуктивности равно нулю :


и ток через емкость будет равен нулю: -

Таким образом при расчете цепей в режиме постоянного тока индуктивности заменяются короткозамкнутым участками цепи, а емкости – разомкнутыми. Схемы замещения R,L,C цепи приведены на рис.

Схема элементов замещения контура в режиме постоянного тока.
При анализе ЭЦ постоянного тока, пассивными элементами схем являются только резистивные элементы, т.к. сопротивления индуктивных элементов постоянному току равны нулю, а сопротивления емкостных элементов при этом равны бесконечности.

на компонентные и топологические. Компонентные уравнения, например, закон Ома, связывают

cигналы одного элемента. Топологические уравнения, например, законы Кирхгофа, связывают сигналы разных элементов.
3.1 Закон Ома
Закон Ома в простейшей форме связывает напряжение
и ток сопротивления (см. рис. 3.1): (3.1)
В сопротивлении ток и напряжение совпадают по направлению, т. к. ток течёт от точки с бо́льшим потенциалом к точке с меньшим потенциалом; поэтому отношение берётся со знаком «+».

В случае если в ветви есть сопротивление и источник э. д. с.,
закон Ома обобщается следующим образом (см. рис. 3.2): (3.2)
В числителе алгебраически (с учётом знака) складывается внешнее напряжение и все источники э. д. с. ветви — со знаком «+» берутся те, направление которых совпадает с направлением тока, со знаком «–» берутся противоположные — а в знаменателе складываются сопротивления ветви.

Закон Ома для одноконтурной цепи выглядит следующим образом: (3.3) :
Со знаком «+» берутся источники э. д. с., совпадающие по
направлению с током, со знаком «–» берутся противоположные
(см. рис. 3.3).

параметрами элементов в неразветвленной электрической цепи и позволяет рассчитывать в

них токи. Рассмотрим три формулировки закона Ома.
1. Закон Ома для участка цепи не содержащего источников ЭДС.
Немецкий физик Г. Ом (1787-1854) экспериментально установил, что ток на пассивном участке цепи с полным сопротивлением R (рис.1.3а) определяется соотношением (1.1):
где u - потенциалы на выводах участка цепи в узлах а и в, - падение напряжения на участке цепи.











Рис.1.3 а) б) в)

2. Обобщенный закон Ома для участка цепи, содержащего источники ЭДС (рис.1.3б), выражается уравнением
На пассивном участке положительное направление тока и напряжения совпадают.
Для записи закона Ома: 1. выбирают положительное направление тока,
2. ЭДС Е и напряжение в выражении (1.3) записывают со знаком плюс, если их направления совпадают с направлением тока, и со знаком минус, когда их направления противоположны направлению тока.
Если при расчете ток окажется с отрицательным знаком, то действительные направления тока противоположно первоначально выбранному направлению.
3. Закон Ома для полной цепи (рис.1.3в), т.е. для замкнутой цепи (для контура): ток в простой одноконтурной цепи выражается уравнением (1.4)
где - алгебраическая сумма ЭДС источников ЭДС в контуре. ЭДС в выражении (1.4) берутся со знаком "плюс" если выбранное направление тока и ЭДС совпадают и со знаком "минус" если не совпадают; - арифметическая сумма всех резисторов контура.