В данном разделе к вашему вниманию предоставлены Книги по электронике и электротехнике . Электроника - это наука, занимающаяся изучением взаимодействия электронов с электромагнитными полями и разработкой методов создания электронных приборов, устройств или элементов, используемых, в основном, для передачи, обработки и хранения информации.
Электроника представляет собой бурноразвивающуюся отрасль науки и техники. Она изучает физические основы и практическое применение различных электронных приборов. К физической электронике относят: электронные и ионные процессы в газах и проводниках. На поверхности раздела между вакуумом и газом, твердыми и жидкими телами. К технической электронике относят изучение устройства электронных приборов и их применение. Область посвященная применению электронных приборов в промышленности называется Промышленной Электроникой.
На сайте вы можете скачать бесплатно большое количество книг по электронике. В книге «Схемотехника электронных средств» рассмотрена элементная база электронных приборов. Приведены основные принципы построения аналоговых, импульсных и цифровых устройств. Особое внимание уделено запоминающим устройствам и преобразователям информации. В отдельном разделе рассмотрены микропроцессорные комплексы и устройства. Для студентов учреждений высшего профессионального образования. Так же скачивайте книги авторов: Левинштейн М.Е., Симин Г.С., Максина Е.Л., Кузьмина О., Щедрин А.И., Леонтьев Б.К., Шелестов И.П., Пиз Р., Родин А., Бессонов В.В., Столовых А.М., Дригалкин В.В., Мэндл М., Лебедев А.И., Брага Н., Хамакава Й., Ревич Ю.В., Абрайтис Б.Б., Альтшуллер Г.Б., Елфимов Н.Н., Шакулин В.Г., Байда Н.П., Байерс Т., Бальян Р.Х., Обрусник В.П., Бамдас А.М., Савиновский Ю.А., Бас А.А., Безбородов Ю.М., Бочаров Л.Н., Бухман Д.Р., Кротченков А.Г., Обласов П.С., Быстров Ю.А., Василевский Д.П., Васильев В.А., Вдовин С.С., Вересов Г.П., Якубовский С.В., Шахгильдян В.В., Чистяков Н., Хоровиц П., Хилл У., Фелпс Р., Сидоров И.Н., Скорняков С.В., Гришин Г.Г., Мошков А.А., Ольшанский О.В., Овечкин Ю.А., Викулин И.М., Войшвилло Г.В., Володин А.А., Гальперин М.П., Кузнецов В.Я., Маслеников Ю.А., Гауси М., Лакер К., Ельяшкевич С., Гендин Г.С., Головков А.В..
Обратите внимание на книгу «Схемотехника и средства проектирования цифровых устройств». В книге приводится описание схемотехники цифровых устройств. Основное внимание уделяется обучению разработке программно-аппаратных комплексов, содержащих процессор: написание поведенческих и структурных VHDL и Verilog HDL-моделей, их тестирование и функциональное тестирование выполнения программ. Описывается современный инструментарий разработчика. На примерах дается описание использования этого инструментария.
На сайте представлены книги самых знаменитых авторов: Любицкий В.Б., Гольденберг Л.М., Матюшкин Б.Д., Поляк М.Н., Горбатый В.И., Городилин В.М., Федосеева Е.О., Трохименко Я., Любич Ф., Румянцев М.М., Розанов Ю.К., Гришин Ю.П., Казаринов Ю.М., Катиков В.М., Рамм Г.С., Панфилов Н.Д., Окснер Э.С., Новаченко И.В., Юровский А.В., Нефедов А.В., Гордеева В.И., Мошиц Г., Хорн П., Мигулин И., Чаповский М., Маркатун М.Г., Дмитриев В.А., Ильин В.А., Лярский В.Ф., Мурадян О.Б., Джозеф К., Андреев В., Баранов В.В., Бекин Н.В., Годонов А.Ю., Головин О., Алексенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И., Айсберг Е., Шумилин М.С., Головин О.В., Севальнев В.П., Шевцов Э.А., Цыкин Г.С., Харченко В.М., Хабловски И., Скулимовски В., Уильямс А., Тетельбаум И.М., Шнейдер Ю.Р., Соклоф С., Гутников В.С., Данилов Л.В., Матханов П.Н., Филиппов Е.С., Дерябин В.И., Рыбаков А.М., Ротхаммель К., Дьяков В.И., Палшков В.В., Жутяев С., Зельдин И.В., Русинов В.В., Ломоносов В.Ю., Поливанов К.М., Кацнельсон Б., Ларионов А., Игумнов Д.В., Королев Г., Громов И., Иофе В.К., Лизунков М.В., Коллендер Б.Г., Кузинец Л.М., Соколов В.С., Китаев В.Е., Бокуняев А.А., Колканов М.Ф., Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А., Кононович Л., Калабеков Б.А., Кононович Л.М., Ковалгин Ю.А., Сырицо А., Поляков В., Королев Г.В., Костиков В.Г., Никитин И.Е., Краснопольский А.Е., Соколов В., Троицкий А., Кризе С., Кубаркин Л.В., Кузин В., Кузина О., Куприянович Л., Леонтьев В.Ф., Лукошкин А., Киренский И., Монахов Ю., Петров О., Достал И., Судаков Ю., Громов Н., Выходец А.В., Гитлиц М.В., Никонов А.В., Однолько В.В., Гавриленко И., Мальцева Л., Марцинкявичус А., Мирский Г.Я., Волгов В.А., Вамберский М.В., Казанцев В.И., Шелухин С.А., Бунимович С., Яйленко Л., Мухитдинов М., Мусаев Э., Мячин Ю.А., Одноралов Н., Павленко Ю.Ф., Шпаньон П.А., Пароль Н.В., Берштейн А.С., Паскалев Ж., Поликарпов А., Сергиенко Е.Ф., Бобров Н.В., Беньковский З., Липинский Э., Бастанов В.Г., Поляков В.Т., Абрамович М.И., Павлов Б., Щербакова Ю.В., Адаменко М., Тюнин Н.А., Куликов Г.В.
АВТОНОМНАЯ НЕКОММЕРЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
ЦЕНТРОСОЮЗА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ КООПЕРАЦИИ»
КАЗАНСКИЙ КООПЕРАТИВНЫЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
для студентов, обучающихся по направлению подготовки
222000.62 Инноватика,
260800.62 Технология продукции и организация общественного питания
Казань 2013
Кирсанов В.А. Электротехника и электроника: Конспект лекций – Казань: Казанский кооперативный институт (филиал) Российского университета кооперации, 2013. – 9 с.
Конспект лекций для студентов, обучающихся по направлению подготовки 222000.62 Инноватика, 260800.62 Технология продукции и организация общественного питания разработан в соответствии с учебным планом, утверждённым Учёным советом Российского университета кооперации от 15.02.2013 г., протокол № 3, и рабочей программой от 11.09.2013 г, протокол № 1.
© Казанский кооперативный институт (филиал) Российского университета кооперации, 2013
© Кирсанов В.А., 2013
Лекция 1. Общие понятия и определения электрических цепей
Электротехника и электроника – дисциплина, объединяющая знания о двух взаимосвязанных отраслях науки и техники: электротехники и электроники. Объединение двух дисциплин позволяет глубже понять их взаимосвязь и более грамотно использовать изучаемые в электротехнике физические основы электромагнитных явлений и методы расчёта электрических цепей при анализе и синтезе схем электроники, в которых используются как линейные, так и нелинейные электронные приборы, компоненты.
Электротехника – отрасль науки и техники, связанная с получением,
преобразованием и использованием электрической энергии в практической деятельности человека, охватывающая вопросы применения электромагнитных явлений в различных отраслях промышленности и в быту.
Электроника – отрасль науки и техники, связанная с созданием и описанием физических принципов работы новых электронных приборов и устройств или электронных схем на их основе.
Цель дисциплины:
Изучение основных законов и методов расчёта линейных электрических и магнитных цепей;
Изучение методов анализа и синтеза линейных и нелинейных электрических цепей;
Изучение принципов функционирования трансформаторов, электрических машин постоянного и переменного тока;
Изучение организации сетевого питания;
Изучение методов измерения и наблюдения электрических сигналов;
Изучение принципов работы основных полупроводниковых приборов и базовых схем электроники, созданных на их основе;
Изучение элементной базы современных компьютеров и других электронных устройств;
Изучение принципов организации линейных усилителей электрических сигналов, в том числе и операционных усилителей и изучение областей их возможного применения;
Изучение принципов построения источников питания современных электронных устройств.
Общие сведения
Электрическая цепь это совокупность взаимосвязанных элементов, компонентов или устройств, предназначенная для прохождения в них электрического тока, процессы в которой могут быть описаны с помощью понятий об электродвижущей силе (э.д.с.), электрическом токе и электрическом напряжении.
Электрический ток (i или I) – направленное движение носителей электрического заряда (в качестве которых часто выступают электроны). Различают три разновидности тока: ток проводимости, ток смещения, ток переноса. Ток проводимости обусловлен направленным упорядоченным движением свободных носителей заряда (например, электронов) под действием электрического поля внутри проводника. Ток смещения или ток поляризации наблюдается в диэлектрике и обусловлен смещением друг относительно друга под действием электрического поля связанных, противоположных по знаку зарядов. Под действием постоянного внешнего электрического поля наблюдается кратковременный ток смещения. Но при переменном поле с током смещения приходится считаться. Ток переноса или ток конвекции обусловлен переносом электрических зарядов в свободном пространстве заряженными частицами или телами под действием электрического поля.
Количественной характеристикой электрического тока является сила тока - количество электричества q, которое протекает через поперечное сечение проводника в единицу времени:
I = q / t.
В случае, если заряды движутся в проводнике неравномерно, изменяющуюся силу тока можно найти по формуле:
i = dq / dt.
Количество электричества в системе СИ измеряется в кулонах (Кл), а сила тока измеряется в амперах (А).
Ампер является силой неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызвал бы между этими проводниками силу, равную 1 Н/м.
Кулон определяется как количество электричества, протекающее через поперечное сечение проводника в 1 с при неизменяющейся силе тока в 1 А.
Для характеристики движения электричества в данной точке поверхности применяется плотность тока δ, которая определяется по формуле:
δ = I / S,
где S-площадь поперечного сечения проводника.
Электрическое напряжение (u или U) – разность электрических потенциалов между выделенными точками или величина работы, которую совершит электрическое поле по переносу единичного положительного заряда из одной точки в другую.
Электрический потенциал численно равен работе поля по переносу единичного положительного заряда из данной точки пространства в бесконечно удалённую, потенциал которой принимается за нулевой. Поскольку в электрической цепи потенциал одной из точек принимается равным нулю, представляют интерес обычно электрические напряжения, а не потенциалы.
1В=1Дж/1Кулон
Источник э.д.с. – источник напряжения в электрической цепи, величина которого мало зависит от выбранной в разумных пределах нагрузки; источник электрической энергии, использующий для формирования внешнего напряжения сторонние, не электрические силы. Пример: гальванический элемент, осуществляющий преобразование химической энергии в электрическую и генератор, осуществляющий преобразование механической энергии в электрическую.
Электрическая схема – способ изображения электрической цепи на плоскости с использованием условных графических обозначений компонентов или элементов электрической цепи. Под схемой часто понимают физическую реализацию электрической цепи.
Компонент, элемент – минимальная, функционально и конструктивно законченная составная часть цепи или схемы. К компонентам относят источники питания, электродвигатели, резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности.
При анализе электрических цепей, как правило, оценивают значение токов, напряжений и мощностей. В этом случае нет необходимости учитывать конкретное устройство различных нагрузок. Важно знать лишь их сопротивление – R, индуктивность – L или емкость – С. Такие элементы цепи называют приемниками электрической энергии.
Зависимость тока, протекающего по приемнику электрической энер- гии, от напряжения на этом приемнике принято называть вольтамперной характеристикой (ВАХ) .
Приемники электрической энергии, вольтамперные характеристики которых являются прямыми линиями, называются линейными.
Электрические цепи, в состав которых включены только линейные элементы, называются линейными электрическими цепями.
Электрические цепи, в состав которых входит хотя бы один нелинейный элемент, называются нелинейными электрическими цепями.
Сигнал – физический процесс, несущий информацию или представляю- щий интерес.
Электрический сигнал – сигнал в виде электрического напряжения или тока. Различают аналоговый и цифровой (дискретный) сигналы.
Аналоговый сигнал может принимать любое произвольное значение напряжения или тока в заданном допустимом диапазоне от минимального значения до максимального.
Датчик – преобразователь представляющего интерес и несущего информацию физического процесса в электрический сигнал. Примером датчика может служить термопара (сплав двух разнородных материалов), формирующая на выходе напряжение, пропорциональное температуре. Пример: датчик Холла , осуществляющий преобразование величины магнитной индукции внешнего магнитного поля в э.д.с., то есть в аналоговый сигнал; терморезистор , осуществляющие преобразование температуры окружающей среды в сопротивление; тензорезистор , осуществляющие преобразование механического давления в сопротивление.
Цифровой сигнал – представление цифровой информации в виде чётко различимых уровней напряжения. Для представления двоичной информации, в которой возможны лишь два значения: 0 или 1, достаточно использовать два чётко различимых уровня напряжения. Различают несколько способов представления двоичного сигнала: потенциальный, импульсный и импульсно-потенциальный.
При потенциальном способе представления логические состояния 0 и 1 представляются двумя разными уровнями напряжения. Например, для элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ):
Логическая единица представляется напряжением U 1 ≥ 2.4В;
Логический ноль представляется напряжением U 0 ≤ 0.4В.
При импульсном представлении двоичной информации логической единице соответствует наличие на выходе элемента импульса или серии импульсов, а при нуле – отсутствие импульсов.
Импульс – электрический сигнал, для которого характерным является быстрое изменение уровня напряжения или тока и который обычно стремится к установлению одного из двух возможных предельных значений напряжения или тока.
При импульсно-потенциальном представлении информации используются одновременно оба предложенных выше метода.
Логический элемент – наименьшая функционально и конструктивно законченная часть ЭВМ, выполняющая какую-либо логическую функцию. Среди основных логических функций обычно выделяют дизъюнкцию, конъюнкцию и отрицание.
Дизъюнкция – такая функция (y) двоичных переменных (Х1, Х2, ..), которая равна единице, когда хотя бы одна входная переменная равна единице. Функцию при двух переменных записывают следующим образом:
y=Х1 v Х2.
Дизъюнкция реализуется с помощью дизъюнктора или элемента типа NИЛИ, где N – число входов у дизъюнктора. При двух входах имеем дело с элементом 2ИЛИ, условное обозначение которого предложено на рисунке:
Конъюнкция – такая функция (y) двоичных переменных (Х1, Х2, ..), которая равна единице, когда все входные переменные равны единице. Функцию при двух переменных записывают следующим образом:
y=Х1&Х2 или y=Х1*Х2 .
Конъюнкция реализуется с помощью конъюнктора или элемента типа NИ, где N – число входов у конъюнктора. При двух входах имеем дело с элементом 2И, условное обозначение которого предложено на рисунке:
Отрицание – такая функция (y) двоичной переменной Х, которая равна единице, если входная переменная равна нулю и наоборот.
Отрицание реализуется с помощью инвертора или элемента НЕ, условное обозначение которого предложено на рисунке:
Символом отрицания в условном обозначении является кружочек на линии сигнала.
Магнитной цепью называют совокупность устройств, содержащих ферромагнитные тела и образующих замкнутую цепь, в которой при наличии магнитодвижущей силы образуется магнитный поток и вдоль которой замыкаются линии магнитной индукции.
Магнитодвижущая сила (мдс) – характеристика способности источников магнитного поля (электрических токов) создавать магнитные потоки.
Лекция 2. Электрические цепи постоянного тока
Основные законы цепей постоянного тока
Основными топологическими понятиями теории электрических цепей являются ветвь, узел, контур, двухполюсник, четырехполюсник, граф схемы электрических цепей, дерево графа схемы. Рассмотрим некоторые из них.
Ветвью называют участок электрической цепи с одним и тем же током. Она может состоять из одного или нескольких последовательно включенных элементов.
Узлом называют место соединения двух элементов. Место соединения трех и более ветвей называют сложным узлом. Сложный узел обозначается на схеме точкой. Сложные узлы, имеющие равные потенциалы, объединяются в один потенциальный узел.
Контуром называют замкнутый путь, проходящий через несколько ветвей и узлов электрической цепи.
Независимым называется контур, в состав которого входит хотя бы одна ветвь, не принадлежащая соседним контурам.
Двухполюсником называют часть электрической цепи с двумя выделенными зажимами – полюсами. Двухполюсник обозначают прямоугольником с индексами «А» или «П». Индекс «А» применяют для обозначения активного двухполюсника, в составе которого есть источники Э.Д.С. Индекс «П» применяют для обозначения пассивного двухполюсника.
Расчет и анализ электрических цепей производится с использованием закона Ома, первого и второго законов Кирхгофа. На основе этих законов устанавливается взаимосвязь между значениями токов, напряжений, ЭДС всей электрической цепи и отдельных ее участков и параметрами элементов, входящих в состав этой цепи.
Закон Ома для участка цепи
Соотношение между током I, напряжением UR и сопротивлением R участка аb электрической цепи (рис. 1) выражается законом Ома
В этом случае U R = RI – называют напряжением или падением напряжения на резисторе R, а I – током в резисторе R.
При расчете электрических цепей иногда удобнее пользоваться не сопротивлением R, а величиной обратной сопротивлению, т.е. электрической проводимостью:
В этом случае закон Ома для участка цепи запишется в виде:
Закон Ома для полной цепи
Этот закон определяет зависимость между ЭДС Е источника питания с внутренним сопротивлением r 0 (рис.1), током I электрической цепи и общим эквивалентным сопротивлением R Э = r 0 + R всей цепи:
I = E/R э = E/(r 0 +R)
Сложная электрическая цепь содержит, как правило, несколько ветвей, в которые могут быть включены свои источники питания и режим ее работы не может быть описан только законом Ома. В этом случае используют законы Кирхгофа , являющиеся следствием закона сохранения энергии.
Первый закон Кирхгофа
Алгебраическая сумма токов, сходящихся в любом узле, равна нулю.
При записи уравнений по первому закону Кирхгофа токи, направленные к узлу, берут со знаком «плюс», а токи, направленные от узла – со знаком «минус».
I1-I2+I3-I4+I5=0
Число уравнений, которые можно составить на основании первого закона, равно числу узлов цепи, причем только (У – 1) уравнений являются независимыми друг от друга. У – количество узлов схемы.
Второй закон Кирхгофа
Алгебраическая сумма падений напряжений на отдельных участках замкнутого контура, произвольно выделенного в сложной разветвленной цепи, равна алгебраической сумме ЭДС в этом контуре.
При записи уравнений по второму закону Кирхгофа необходимо:
1) задать условные положительные направления ЭДС, токов и напряжений;
2) выбрать направление обхода контура, для которого записывается уравнение;
3) записать уравнение, причем слагаемые, входящие в уравнение, берут со знаком «плюс», если их условные положительные направления совпадают с обходом контура, и со знаком «минус», если они противоположны.
Е
1 –
Е
2 +
Е
3 = I1R1 – I2R2 + I3R3 – I4R4
Количество независимых уравнений по второму закону Кирхгофа равно:
Методы анализа линейных электрических цепей постоянного тока
Реальные электротехнические устройства и системы имеют сложные схемы. Перед специалистами стоят задачи расчета их параметров. Процесс расчета параметров в теории электротехники принято называть «анализом схем». Электрические схемы любой сложности подчиняются законам Ома и Кирхгофа. Однако применение только этих законов часто приводит к неоправданно сложным решениям. Поэтому был разработан ряд методов анализа, адаптированных к топологии электрических цепей и упрощающих процесс расчета их параметров.
Анализ электрических цепей с применением законов Кирхгофа
При анализе электрических цепей определяют значение токов в их ветвях, падение напряжения на элементах или потребляемую мощность по заданному значению Э.Д.С., а также значения сопротивлений, проводимо- стей или других параметров по заданным значениям тока или напряжения.
Суть анализа электрических цепей применением законов Кирхгофа заключается в составлении системы независимых линейных уравнений.
По первому закону Кирхгофа составляется (У − 1) уравнение, по второму закону В – (У-1) уравнений.
Анализ электрических цепей методом эквивалентных преобразований
Когда в состав электрической цепи входит только один источник Э.Д.С., его ток определяется общим сопротивлением пассивных приемников электрической энергии. Такое сопротивление называют эквивалентным – Rэкв. Очевидно, что если известно Rэкв, то цепь можно представить в виде двух последовательно соединенных элементов – источника Э.Д.С. и Rэкв, а определение тока источника сводится к применению закона Ома. Процесс перехода от электрической цепи с произвольной топологией к цепи с Rэкв называется эквивалентным преобразованием. Такое преобразование и положено в основу рассматриваемого метода анализа.
Приемы преобразования электрической цепи определяются способами соединения пассивных элементов. Различают способы соединения: последовательное, параллельное, по смешанной схеме, треугольником и звездой. Рассмотрим сущность эквивалентных преобразований при каждом из названных способов.
Электрическая цепь с последовательным соединением элементов
|
|
|
Последовательным называют такое соединение элементов цепи, при котором во всех включенных в цепь элементах возникает один и тот же ток I (рис. 2.).
На основании второго закона Кирхгофа общее напряжение U всей цепи равно сумме напряжений на отдельных участках:
U = U 1 + U 2 + U 3 или IR экв = IR 1 + IR 2 + IR 3 ,
откуда следует
R экв = R 1 + R 2 + R 3 .
Таким образом, при последовательном соединении элементов цепи общее эквивалентное сопротивление цепи равно арифметической сумме сопротивлений отдельных участков. Следовательно, цепь с любым числом последовательно включенных сопротивлений можно заменить простой цепью с одним эквивалентным сопротивлением R экв (рис. 3.). После этого расчет цепи сводится к определению тока I всей цепи по закону Ома
и по вышеприведенным формулам рассчитывают падение напряжений U 1 , U 2 , U 3 на соответствующих участках электрической цепи (рис. 2.).
Недостаток последовательного включения элементов заключается в том, что при выходе из строя хотя бы одного элемента, прекращается работа всех остальных элементов цепи.
Электрическая цепь с параллельным соединением элементов
Параллельным называют такое соединение, при котором все включенные в цепь потребители электрической энергии, находятся под одним и тем же напряжением (рис. 4.).
В этом случае они присоединены к двум узлам цепи а и b, и на основании первого закона Кирхгофа можно записать, что общий ток I всей цепи равен алгебраической сумме токов отдельных ветвей:
I = I 1 + I 2 + I 3 , т.е.
откуда следует, что
.
Из этого соотношения следует, что эквивалентная проводимость цепи равна арифметической сумме проводимостей отдельных ветвей:
g экв = g 1 + g 2 + g 3 .
По мере роста числа параллельно включенных потребителей проводимость цепи g экв возрастает, и наоборот, общее сопротивление R экв уменьшается.
Напряжения в электрической цепи с параллельно соединенными сопротивлениями (рис. 4)
U = IR экв = I 1 R 1 = I 2 R 2 = I 3 R 3 .
Отсюда следует, что
т.е. ток в цепи распределяется между параллельными ветвями обратно пропорционально их сопротивлениям.
По параллельно включенной схеме работают в номинальном режиме потребители любой мощности, рассчитанные на одно и то же напряжение. Причем включение или отключение одного или нескольких потребителей не отражается на работе остальных. Поэтому эта схема является основной схемой подключения потребителей к источнику электрической энергии.
Электрическая цепь со смешанным соединением элементов
Смешанным называется такое соединение, при котором в цепи имеются группы параллельно и последовательно включенных сопротивлений.
Для цепи, представленной на рис. 5, расчет эквивалентного сопротивления начинается с конца схемы. Для упрощения расчетов примем, что все сопротивления в этой схеме являются одинаковыми: R 1 =R 2 =R 3 =R 4 =R 5 =R. Сопротивления R 4 и R 5 включены параллельно, тогда сопротивление участка цепи cd равно:
.
В этом случае исходную схему (рис. 5) можно представить в следующем виде (рис. 6):
На схеме (рис. 6) сопротивление R 3 и R cd соединены последовательно, и тогда сопротивление участка цепи ad равно:
.
Тогда схему (рис. 6) можно представить в сокращенном варианте (рис. 7):
На схеме (рис. 7) сопротивление R 2 и R ad соединены параллельно, тогда сопротивление участка цепи аb равно
.
Схему (рис. 7) можно представить в упрощенном варианте (рис. 8), где сопротивления R 1 и R ab включены последовательно.
Тогда эквивалентное сопротивление исходной схемы (рис. 5) будет равно:
.
|
|
|
В результате преобразований исходная схема (рис. 5) представлена в виде схемы (рис. 9) с одним сопротивлением R экв. Расчет токов и напряжений для всех элементов схемы можно произвести по законам Ома и Кирхгофа.
Суть метода эквивалентных преобразований:
1.Участки электрической цепи с последовательно и параллельно соединенными элементами заменяют одним эквивалентным элементом. Путем последовательно выполненных преобразований схему упрощают до элементарного вида.
2.Применением закона Ома находится ток упрощенной схемы. Его значение определяет ток ветви, ближайшей к источнику Э.Д.С. (ток первой ветви). Это позволяет легко вычислить токи остальных ветвей.
Мгновенное значение;
Амплитудное значение;
Начальная фаза;
Действующее значение;
Среднее значение;
Комплекс действующего или амплитудного значения и др.
Мгновенное значение
Мгновенное значение величины a записывается в виде:
а = Аm sin (ωt +ψ),
где Аm – амплитуда (максимальное значение) величины;
ω – угловая частота, рад/с;
t – текущее значение времени, с;
ψ – начальная фаза.
Мгновенные значения тока i , напряжения u или ЭДС запишем в виде:
i=Im sin (ωt+ψi),
u=Um sin (ωt+ψu),
e=Em sin (ωt+ψe).
Аргумент синуса (ωt +ψ) называется фазой . Угол ψ равен фазе в начальный момент времени t =0 и поэтому называется начальной фазой .
Угловая частота ω связана с периодом T и частотой f =1/Т формулами:
.Действующее значение синусоидального тока часто называют среднеквадратичным или эффективным значениями.
Действующие значения токов и напряжений показывают большинство электроизмерительных приборов (амперметров, вольтметров).
В действующих значениях указываются номинальные токи и напряжения в паспортах различных электроприборов и устройств.
Под средним значением синусоидального тока понимают его среднее значение за половину периода:
Аналогично:
И 
Элементы электрических цепей синусоидального тока
Основные элементы электрических цепей синусоидального тока:
Источники электрической энергии (источники ЭДС и источники тока);
Резистивные элементы (резисторы, реостаты, нагревательные элементы и т.д.);
Емкостные элементы (конденсаторы);
Индуктивные элементы (катушки индуктивности).
Резистивный элемент
По закону Ома напряжение на резистивном элементе:u=i⋅R=R⋅Im sinωt=Um sinωt, где Um =R⋅Im и ток i=Im sinωt.
Отсюда следует:
1. Ток и напряжение в резистивном элементе совпадают по фазе (изменяются синфазно).
2. Закон Ома выполняется как для амплитудных значений тока и напряжения: Um =R⋅Im, так и для действующих значений тока и напряжения: U=R⋅I.
Выразим мгновенную мощность p через мгновенные значения тока i и напряжения u:
p=u i =Um Im sinωt sinωt =U I (1−cos2ω).
Индуктивный элемент
Классическим примером индуктивного элемента является катушка индуктивности – провод, намотанный на изоляционный каркас.
uL = ω⋅L⋅Im cosωt = Um sin(ωt+900),
где Um = ω⋅L⋅Im = XL⋅Im.
Величина XL =ω⋅L называется индуктивным сопротивлением , из-меряется в омах и зависит от частоты ω .
Из этих выражений следует важный вывод:
1.Ток в индуктивном элементе отстает по фазе от напряжения на (900).
2.Индуктивный элемент оказывает синусоидальному (переменному) току сопротивление, модуль которого X L = ω ⋅ L , прямо пропорционален частоте.
3.Закон Ома выполняется как для амплитудных значений тока и напряжения: Um =XL⋅Im, так и для действующих значений: U=XL⋅I.
Мгновенная мощность:
p = u⋅i = Um cosωt⋅Im sinωt = U⋅I sin2ωt.
Мгновенная мощность на индуктивном элементе имеет только переменную составляющую U⋅I sin2ωt , изменяющуюся с двойной частотой (2ω).
Мощность периодически меняется по знаку: то положительна, то отрицательна. Это значит, что в течение одних четвертьпериодов, когда p>0, энергия запасается в индуктивном элементе (в виде энергии магнитного поля), а в течение других четвертьпериодов, когда p < 0 , энергия возвращается в электрическую цепь.
(Документ)
n1.doc
Краткий курс лекций
по электротехнике (заочное отделение)
Введение
Основные определения
1.1. Основные пояснения и термины
1.2. Пассивные элементы схемы замещения
1.3. Активные элементы схемы замещения
1.4. Основные определения, относящиеся к схемам
1.5. Режимы работы электрических цепей
1.6. Основные законы электрических цепей
Эквивалентные преобразования схем. Параллельное соединение элементов электрических цепей
2.1. Последовательное соединение элементов электрических цепей
2.2. Параллельное соединение элементов электрических цепей
3.1. Расчет электрических цепей постоянного тока
с одним источником методом свертывания
4.1. Метод непосредственного применения законов Кирхгофа
4.2. Метод контурных токов
4.3. Метод узловых потенциалов
Нелинейные электрические цепи постоянного тока
5.1. Основные определения
5.2. Графический метод расчета нелинейных цепей постоянного тока
Электрические цепи однофазного переменного тока
6.1. Основные определения
6.2. Изображение синусоидальных функций времени в векторной форме
6.3. Изображение синусоидальных функций времени в комплексной форме
6.4. Сопротивление в цепи синусоидального тока
6.5. Индуктивная катушка в цепи синусоидального тока
6.6. Емкость в цепи синусоидального тока
6.7. Последовательно соединенные реальная индуктивная
катушка и конденсатор в цепи синусоидального тока
6.8. Параллельно соединенные индуктивность, емкость и
активное сопротивление в цепи синусоидального тока
6.9. Резонансный режим в цепи, состоящей из параллельно
включенных реальной индуктивной катушки и конденсатора
6.10. Мощность в цепи синусоидального тока
Трехфазные цепи
7.1. Основные определения
7.2. Соединение в звезду. Схема, определения .
7.3. Соединение в треугольник. Схема, определения
7.5. Мощность в трехфазных цепях
Магнитные цепи
9.1. Основные определения
9.2. Свойства ферромагнитных материалов
9.3. Расчет магнитных цепей
Трансформаторы
10.1. Конструкция трансформаторов
10.2. Работа трансформатора в режиме холостого хода
10.3. Работа трансформатора под нагрузкой
Электрические машины постоянного тока
11.1. Устройство электрической машины постоянного тока
11.2. Принцип действия машины постоянного тока
11.3. Работа электрической машины постоянного тока
в режиме генератора
11.4. Генераторы с независимым возбуждением.
Характеристики генераторов
11.5. Генераторы с самовозбуждением.
Принцип самовозбуждения генератора с параллельным возбуждением
11.6. Работа электрической машины постоянного тока
в режиме двигателя. Основные уравнения
11.7. Механические характеристики электродвигателей
постоянного тока
Электрические машины переменного тока
12.1. Вращающееся магнитное поле
12.2. Асинхронные двигатели. Конструкция, принцип действия
12.3. Вращающий момент асинхронного двигателя
12.4. Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей.
Реверсирование асинхронного двигателя
12.5. Однофазные асинхронные двигатели
12.6. Синхронные двигатели.
Конструкция, принцип действия
Введение
Электротехника - отрасль науки и техники, связанная с применением электрических и магнитных явлений для преобразования энергии, обработки материалов, передачи информации и др.Электротехника охватывает вопросы получения, преобразования и использования электроэнергии в практической деятельности человека. Электроэнергию можно получить в значительных количествах, передать на расстояние и легко преобразовать в энергию других видов.
В кратком курсе лекций даны основные определения и топологические параметры электрических цепей, изложены методы расчета линейных и нелинейных цепей постоянного и переменного тока, анализ и расчет магнитных цепей.
Рассмотрены конструкция, принцип действия и характеристики трансформаторов и электрических машин постоянного и переменного тока, а также информационных электрических машин.
1. Основные определения
1.1. Основные пояснения и термины
Электротехника - это область науки и техники, изучающая электрические и магнитные явления и их использование в практических целях.Электрическая цепь - это совокупность устройств, предназначенных для производства, передачи, преобразования и использования электрического тока.
Все электротехнические устройства по назначению, принципу действия и конструктивному оформлению можно разделить на три группы:
Источники энергии, т.е. устройства, вырабатывающие электрический ток (генераторы, термоэлементы, фотоэлементы, химические элементы).
Приемники, или нагрузка, т.е. устройства, потребляющие электрический ток (электродвигатели, электролампы, электромеханизмы и т.д.).
Проводники, а также различная коммутационная аппаратура (выключатели, реле, контакторы и т.д.).
Электрический ток, величина и направление которого не остаются постоянными, называется переменным током. Значение переменного тока в рассматриваемый момент времени называют мгновенным и обозначают строчной буквой i.
Для работы электрической цепи необходимо наличие источников энергии.
Различают активные и пассивные цепи, участки и элементы цепей. Активными называют электрические цепи, содержащие источники энергии, пассивными - электрические цепи, не содержащие источников энергии.
Электрическую цепь называют линейной, если ни один параметр цепи не зависит от величины или направления тока, или напряжения.
Электрическая цепь является нелинейной, если она содержит хотя бы один нелинейный элемент. Параметры нелинейных элементов зависят от величины или направления тока, или напряжения.
Электрическая схема - это графическое изображение электрической цепи, включающее в себя условные обозначения устройств и показывающее соединение этих устройств. На рис. 1.1 изображена электрическая схема цепи, состоящей из источника энергии, электроламп 1 и 2, электродвигателя 3.
Рис. 1.1
Для облегчения анализа электрическую цепь заменяют схемой замещения.
Схема замещения
- это графическое изображение электрической цепи с помощью идеальных элементов, параметрами которых являются параметры замещаемых элементов.
На рисунке 1.2 показана схема замещения.
Рис. 1.2
