Слайд 2Темы
1. Электрическое поле
2. Электрические и магнитные цепи. Общие
сведения
3. Основные определения, топологические параметры
и
методы расчета электрических цепей
4. Анализ и расчет электрических цепей с нелинейными
элементами
5. Анализ и расчет линейных цепей переменного тока.
6. Анализ и расчет магнитных цепей
7. Электромагнитные устройства и электрические машины
8 7. Элементная база современных электронных устройств
9 8. Усилители электрических сигналов
10 9. Функциональные устройства аналоговой электроники
1. Основы цифровой электроники
12. Источники вторичного электропитания
3. Электрические измерения и приборы
Слайд 3Тема 1
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ
ПОЛЕ
Общие сведения
Слайд 4 Электрическое поле - особый вид материи, существующий вокруг любого
электрического заряда и проявляющий себя в действии на другие заряды.
Поле,
созданное двумя плоскими разноимённо заряженными параллельными пластинами, называется однородным.
Графически такое поле изображается параллельными прямыми линиями с одинаковым расстоянием между линиями.
Слайд 5Параметры электрического поля
1. Напряженность поля (Е, единицы измерения: В/м –
вольт на метр, В/см – вольт на см) - характеризует интенсивность электрического
поля, т.е. его способность притягивать или отталкивать некоторый электрический заряд q, принятый за единицу. E=F/q Е=U/ℓ
2. Электрический потенциал (φ) характеризует энергию, запасённую в каждой точке поля (единицы измерения: В -вольт, киловольт (тысячи вольт), милливольт (тысячная вольта), микровольт (миллионная вольта).
Электрический потенциал поля в данной точке равен работе, которую могут совершить силы этого поля при перемещении единицы заряда из этой точки за пределы поля.
3. Напряжение. Разность потенциалов φ1 и φ2 между двумя точками поля называется электрическим напряжением (U, единицы измерения: В -вольт, киловольт (тысячи вольт), милливольт (тысячная вольта), микровольт (миллионная вольта). U=W/q
Слайд 6Закон Кулона
Два точечных заряда действуют друг на друга с силой, которая обратно
пропорциональна квадрату расстояния между ними и прямо пропорциональна произведению их
зарядов (без учета знака зарядов)
Постоянная k определяется как
Слайд 7 В электричестве выделяют три
основных группы материалов – это проводники, полупроводники и диэлектрики.
1. Вещество, в котором присутствуют свободные носители зарядов, называют проводником. Движение свободных носителей называют тепловым. Основной характеристикой проводника является его сопротивление (R) или проводимость (G) – величина обратная сопротивлению.
2. Диэлектриками называют вещества, которые не проводят ток, или проводят, но очень плохо. В них нет свободных носителей зарядов, потому что связь частиц атома достаточно сильная, для образования свободных носителей, поэтому под воздействием электрического поля тока в диэлектрике не возникает.
3. Полупроводник проводит электрический ток, но не так как металлы, а при соблюдении определенных условий – сообщении веществу энергии в нужных количествах.
Слайд 8Тема 2
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
И МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ
Общие сведения
Слайд 9 Электрической цепью
называется совокупность
соединенных между собой
проводящих тел, полупроводниковых
и диэлектрических устройств,
электромагнитные процессы в которой
могут быть описаны
с помощью понятий
об электрическом токе и напряжении
Слайд 11Для учета процессов
преобразования электромагнитной энергии
в цепях вводятся идеализированные
элементы,
процессы в которых связаны лишь
с одним видом энергии
поля.
Элементы цепи рассматриваются как математические модели, связывающие токи и напряжения.
Слайд 13Емкость и индуктивность являются
реактивными приемниками энергии
или
реактивными элементами.
Слайд 14Идеализированным источником тока
называют элемент цепи, который создает заданный ток
j(t) независимо от напряжения на его полюсах.
Единица измерения –
ампер (А).
Напряжение на элементе определяется величиной сопротивления u = ir и принимает любое значение.
Ток в элементе не зависит от величины сопротивления: i = j.
Источник тока
Слайд 15Источник напряжения (ЭДС)
Идеализированным источником напряжения
называют элемент цепи, который
создает на своих зажимах напряжение u(t) = e(t) независимо от
того, какой ток протекает через источник. Единица измерения – вольт (В).
Напряжение на элементе не зависит
от величины сопротивления: e = u.
Ток в элементе i = u/r и принимает любое значение.
Источник напряжения характеризует внесенную в цепь энергию извне, поэтому он называется также
источником электродвижущей силы.
Слайд 16Активное сопротивление
Величина R называется сопротивлением.
Единица измерения – ом
(Ом).
Кратные единицы измерения активного сопротивления,
наиболее часто встречающиеся в
практике:
килоом (кОм), 1 кОм = 1103 Ом;
мегаом (МОм), 1 МОм = 1106 Ом.
Слайд 17Проводимость
Проводимостью
называется величина,
обратная сопротивлению:
G = 1/R.
Единица
измерения – сименс (См).
Слайд 18Емкость
Величина С называется емкостью.
Единица измерения – фарада (Ф).
Кратные единицы измерения емкости, наиболее часто встречающиеся в практике:
пикафарада
(пФ), 1 пФ = 110-12 Ф;
нанофарада (нФ), 1 нФ = 110-9 Ф;
микрофарада (мкФ), 1 мкФ = 110-6 Ф.
Слайд 19Индуктивность
Величина L называется индуктивностью.
Единица измерения – генри (Гн).
Кратные единицы измерения индуктивности,
наиболее часто встречающиеся в практике:
миллигенри
(мГн), 1 мГн = 110-3 Гн.
Слайд 20В реальных электрических цепях:
1) заданное сопротивление обычно обеспечивают включением
специального изделия, называемого резистором;
2) заданную емкость – включением специального изделия,
называемого конденсатором;
3) заданную индуктивность – включением катушек и просто проводников.
В отличие от идеализированных элементов реальные элементы электрических цепей характеризуются множеством параметров,
часть которых опять же можно смоделировать
с помощью эквивалентных
электрических схем (схем замещения),
составленных из идеализированных элементов.
Слайд 21 Электрическая схема –
графическое изображение электрической цепи, содержащее условные обозначения
ее элементов и способы их соединения
Слайд 22Элемент электрической цепи, параметры которого
не зависят от тока в
нем, называют линейным,
в противном случае – нелинейным.
Линейная электрическая цепь
–
цепь, все элементы которой являются линейными
Нелинейная электрическая цепь –
цепь, содержащая хотя бы один нелинейный элемент
Слайд 23Точка, в которой соединяются два или более элемента
электрической цепи,
называется узлом
Если в узле соединены только два элемента (а),
то их можно объединить по правилам последовательного соединения и представить в виде одного более сложного элемента (б).
Узел b поэтому называется устранимым узлом.
Слайд 25Тема 3
ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ, ТОПОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
Слайд 26Ток в электрической цепи
прямопропорционален приложенному напряжению
и обратнопропорционален ее
сопротивлению
Эту закономерность можно выразить
следующими формулами:
I = U/R U =
RI R = U/I
I = UG U = I/G G = I/U
Слайд 27Алгебраическая сумма токов в узле равна нулю:
Ток, втекающий в
узел, полагают положительным, а вытекающий – отрицательным
Для узла на схеме
.
Слайд 28Контур – любой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям.
Для контура
выполняется второй закон Кирхгофа:
Алгебраическая сумма ЭДС в ветвях контура
равна
алгебраической сумме падений напряжений на элементах контура с учетом выбранного направления обхода:
где m – количество источников ЭДС в ветвях контура;
k – количество элементов в ветвях контура.
Для контура, приведенного справа, уравнение, составленное по второму закону Кирхгофа, имеет следующий вид:
Используя законы Ома и Кирхгофа можно рассчитать любую электрическую цепь
Слайд 29 АНАЛИЗ И РАСЧЕТ ЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Тема 4
Слайд 30 Переменный ток —электрический ток, который с течением времени изменяется по величине и направлению
или, в частном случае, изменяется по величине, сохраняя своё направление
в электрической цепи неизменным
Условное обозначение на электроприборах: или (знак синусоиды), или латинскими буквами АС.
Величина переменного тока, соответствующая данному моменту времени, называется мгновенным значением переменного тока.
Максимальное мгновенное значение переменного тока, которое он достигает в процессе своего изменения, называется амплитудой тока
Слайд 31Временные диаграммы
синусоидального тока и напряжения
Период Т, с –
промежуток времени, по истечении которого синусоидальный ток (напряжение, ЭДС) принимает
одно и то же значение
Слайд 32Временные диаграммы
синусоидального тока и напряжения
Частота f, Гц –
число полных изменений периодической величины в течение одной секунды:
где 1
– целое число.
Слайд 33Временные диаграммы
синусоидального тока и напряжения
Амплитуда (Im, Um, Em)
– наибольшее значение синусоидальной величины.
Слайд 34Временные диаграммы
синусоидального тока и напряжения
Фаза (полная фаза) ,
рад – аргумент синусоидальной величины, например, для тока:
Начальная фаза ,
рад – значение фазы в момент времени t = 0.
,
Слайд 35Временные диаграммы
синусоидального тока и напряжения
Угловая частота , рад/с
– скорость изменения фазы:
Слайд 36Временные диаграммы
синусоидального тока и напряжения
Сдвиг фаз , рад
– разность фаз двух синусоидальных величин. Например, сдвиг фаз между
напряжением и током:
Слайд 37Действующие значения
тока, напряжения и ЭДС не зависят от времени
и являются эквивалентными некоторым постоянным току I, напряжению U и
ЭДС Е, которые производят в электрической цепи такую же работу, что и переменные ток i, напряжение u и ЭДС е за одинаковый промежуток времени.
Слайд 38
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ
УСТРОЙСТВА
И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
МАШИНЫ
Тема 5
Слайд 39Трансформатор –
это электромагнитный аппарат, который преобразует электрическую энергию переменного тока,
имеющую одни величины, в электрическую энергию с другими величинами.
В трансформаторе
преобразуются напряжение, ток и начальная фаза.
Неизменной остается частота тока.
Слайд 40Простейший трансформатор имеет магнитопровод (сердечник) и обмотки.
По количеству обмоток различают
трансформаторы двухобмоточные и многообмоточные.
Обмотка
с количеством витков w1, к зажимам
которой подводится напряжение, называется первичной.
На зажимы вторичной обмотки включается потребитель Zн.
Слайд 41Важной характеристикой трансформатора является
коэффициент трансформации,
который в обычном случае
определяется как отношение высшего напряжения к низшему в режиме холостого
(нерабочего) хода.
Коэффициент трансформации для понижающего трансформатора:
Из этого следует, что трансформатор снижает напряжение и во столько же раз повышает ток (и наоборот)
Слайд 42Нерабочий (холостой) ход
Нерабочим ходом (режимом холостого хода)
называется режим, при котором
вторичная цепь трансформатора разомкнута (нагрузка отключена), т.е.
Векторная диаграмма трансформатора в
режиме холостого хода
Уравнение трансформатора в режиме холостого хода:
Полное внутреннее сопротивление первичной обмотки:
Уравнение первичной цепи в окончательном виде:
Слайд 43Режим нагрузки
Режим нагрузки осуществляется,
когда на вторичную обмотку включена нагрузка
Zн.
Уравнение первичной цепи:
Внешняя характеристика нагруженного трансформатора
Уравнение вторичной цепи:
В режиме
нагрузки вторичное напряжение U2 незначительно зависит от тока нагрузки. Эта зависимость (U2=f(I2)) называется внешней характеристикой
Слайд 45Режим короткого замыкания
Режим короткого замыкания –
это аварийный режим работы
трансформатора. В режиме короткого замыкания напряжение первичной обмотки равно номинальному,
а сопротивление нагрузки равно нулю.
В аварийном режиме короткого замыкания устанавливаются большие токи короткого замыкания в обмотках. Эти значения так велики, что приводят к выходу из строя обмотки трансформатора.
Слайд 46Реальный, идеализированный и приведенный трансформаторы
Реальный трансформатор имеет обмотки, расположенные на
сердечнике. Обмотки имеют как активное сопротивление, так и сопротивление рассеяния,
те., кроме основного магнитного потока, пронизывающего обе обмотки, существуют потоки рассеяния первичной и вторичной обмоток
Идеализированный трансформатор – это трансформатор, в котором отсутствуют магнитные потоки рассеяния, а активные сопротивления обмоток равны нулю. Эти понятия используют для упрощенных исследований процессов
Приведенный трансформатор – эквивалентный реальному трансформатору, у которого коэффициент трансформации равен единице (количество витков вторичной обмотки равно количеству витков первичной обмотки). Для замещения реального трансформатора приведенным нужно выдержать принципы эквивалентности энергетического состояния. Приведенные электрические величины обозначаются штрихами.
Слайд 47Уравнения приведенного трансформатора –
это уравнения электрической цепи с двумя
смежными контурами, составленными по законам Кирхгофа.
Уравнение, составленное по первому закону
Кирхгофа (для узла электрической цепи):
Уравнения, составленные по второму закону Кирхгофа, для замкнутого контура с идеальными элементами:
Внутренне сопротивление общего для смежных контуров элемента, индуцирующего ЭДС (обеспечивает протекание в нем тока холостого хода):
Слайд 49Изображение трансформаторов на электрических схемах
Стандартом предусмотрены три способа условных
графических обозначений трансформаторов: упрощенный однолинейный;
упрощенный многолинейный;
развернутый.
Слайд 50Электрические машины переменного тока
Слайд 51Асинхронная машина —
это машина переменного тока,
в которой возбуждается
вращающееся магнитное поле.
Ротор вращается асинхронно, т.е. со скоростью, отличающейся
от скорости вращения поля.
Асинхронные машины принципиально могут быть генераторами или двигателями. Характеристики асинхронных двигателей очень высоки, и они широко применяются в технике. Асинхронные генераторы практически не используются, так как имеют очень низкие эксплуатационные качества.
Слайд 52Асинхронная машина состоит из статора и ротора.
Статор имеет шихтованный
сердечник, в пазах которого расположена трехфазная обмотка. В простейшем случае
она состоит из трех катушек, которые сдвинуты одна относительно другой на 120°.
Ротор бывает двух типов: короткозамкнутый и фазный.
Короткозамкнутый ротор имеет шихтованный цилиндр с пазами. В пазы укладываются стержни, замкнутые электрически с двух сторон кольцами. Эти кольца и стержни называют «беличьим колесом» (рисунок ниже)
На рисунке выше показано устройство асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Поскольку на роторе нет коллекторного узла, ротор не имеет скользящих контактов, двигатель очень прост в обслуживании, надежен в работе, дешев, легок и экономичен. Это двигатель основного исполнения.
Слайд 53Условные графические обозначения
асинхронных машин
Слайд 54Как и все электрические машины, синхронная машина обратима и может
широко использоваться в промышленности как генератор и двигатель преимущественно большой
мощности.
Синхронные машины относятся к классу машин трехфазного переменного тока. Частота вращения ротора синхронной машины равна частоте вращающегося магнитного поля.
Синхронная машина состоит из статора и ротора
Синхронные машины
Слайд 55Ротор синхронной машины представляет собой электромагнит, обмотка которого питается от
источника постоянного тока.
Ротор синхронной машины бывает двух типов:
явнополюсный
и неявнополюсный
Явнополюсный ротор
используется большей частью в тихоходных синхронных машинах. Обмотка ротора присоединяется к контактным кольцам и с помощью щеток на нее подается постоянное напряжение. В машинах с большой скоростью вращения (турбогенераторах, газогенераторах) применяется неявнополюсный ротор.
Слайд 56На рисунке ниже приведена схема неявнополюсного ротора с одной парой
полюсов.
В многополюсных роторах полюсы чередуются по кругу. Обмотка ротора
возбуждает постоянный магнитный поток и называется обмоткой возбуждения.
В генераторном режиме обмотка возбуждения включается на постоянное напряжение.
В режиме двигателя, кроме постоянного напряжения, подаваемого на обмотку возбуждения, подается также трехфазное синусоидальное напряжение на обмотку статора. Обмотка возбуждает вращающееся магнитное поле, которое захватывает в синхронном вращении поле ротора
и сам ротор.
Слайд 57Холостой ход синхронного генератора
Холостой ход (или нерабочий режим) осуществляется
при отключенной нагрузке. Ток статора в этом случае равен нулю.
Ток возбуждения регулируется внешним источником в широких пределах.
Характеристика нерабочего (холостого) хода представляет собой магнитную характеристику системы и напоминает кривую намагничивания.
Форма ЭДС статорной обмотки зависит от формы магнитного потока в цепи статора. Специальной формой полюсных наконечников можно получить синусоидальную ЭДС статорной обмотки.
Слайд 58Характеристики синхронных двигателей
Основным преимуществом синхронного двигателя перед двигателями других
типов является
абсолютно жесткая механическая характеристика (см. рис. справа),
т.
е. ротор вращается со скоростью
вращающегося магнитного поля, возбуждаемого статором. Скорость вращения поля не зависит от момента сопротивления. Если сопротивление больше максимального, ротор останавливается.
Слайд 59Характеристики синхронных двигателей
Зависимость электромагнитного момента от угла между осями
полюсов статора и ротора называется угловой характеристикой двигателя
(см. рис.
справа).
Момент имеет положительные значения в пределах 0 < < ,
но устойчивый режим работы может быть
только на участке 0 < < /2.
Обычно ном = (20...30)°.
Синхронные двигатели используют там, где требуются стабильная скорость вращения, экономичность. Бесконтактные микродвигатели с однофазной и трехфазной обмотками статора применяют в программных механизмах, электрочасах, звуковой аппаратуре и др.
Полюсы статора и ротора вращаются с одинаковой скоростью. Но между осями этих полюсов есть некоторое угловое смещение. Это смещение зависит от момента сопротивления.
Слайд 60Характеристики синхронных двигателей
U-образной характеристикой синхронного двигателя
называется зависимость тока
якоря от тока возбуждения при постоянном тормозящем моменте. Как и
у генератора, минимальный ток обеспечивается при коэффициенте мощности соs = 1 (см. рис. справа)),
При > 0 ток ограничивается областью неустойчивой работы двигателя ( > /2), а при <0 - магнитным насыщением сердечника.
Слайд 61Пуск синхронного двигателя
При включении двигателя механическая инерция ротора велика
и вращающий момент на валу практически равен нулю. Поэтому для
пуска нужно раскрутить вал двигателя до скорости, близкой к синхронной. Сложный пуск в значительной мере ограничивает использование синхронного двигателя.
Для пуска синхронного двигателя укладывают короткозамкнутую обмотку («беличье колесо») в полюса ротора (рис. справа).
Стержни обмотки соединяются кольцами. При пуске обмотка возбуждения замыкается на пусковое сопротивление, как показано на рис. справа.
Слайд 62 После включения обмотки статора в сеть
образуется вращающееся магнитное поле, которое индуцирует ток в «беличьем колесе»
и создает асинхронный пусковой момент. Чтобы увеличить пусковой момент, иногда используют клетку с глубоким пазом или двойную «беличью клетку». Это повышает пусковой момент до 0,8... 1,0 А/н. Когда скольжение достигает примерно 5%, обмотка возбуждения отключается от сопротивления и включается на источник постоянного тока.
Если обмотку возбуждения на время пуска оставить разомкнутой, то индуцируемая в ней большая ЭДС, приведет к пробою изоляции. После асинхронного разгона ротора и включения обмотки возбуждения возникает синхронный вращающий момент.
Действие этого момента переводит двигатель в режим синхронной работы. Мощные синхронные двигатели пускают при сниженном напряжении на статорной обмотке.
Слайд 63
Преимущества
синхронных машин:
высокие КПД и коэффициент мощности;
абсолютно жесткая механическая характеристика двигателя;
независимость частоты ЭДС генератора от
нагрузки машины.
Преимущества и недостатки синхронной машины
Недостатки
синхронных машин:
сложная конструкция;
необходимость использования двух источников напряжения
(переменного трехфазного и постоянного) для двигателя;
затруднения с пуском двигателя.
Слайд 64 Графические обозначения синхронных машин
Графическое обозначение трехфазной синхронной
машины с вращающимся выпрямителем
Графическое обозначение синхронной машины, которая возбуждается
постоянными магнитами
Графические обозначения синхронных машин (пунктирной окружностью обозначают явнополюсный ротор)
