50. Электронный цифровой вольтметр.

Основным эле­ментом цифровых электронных измерительных прибо­ров является аналогово-цифровой преобразователь (АЦП). Это устройство предназначено для преобразования на­пряжения в пропорциональное ему число. На рис, 9.20 показана упрощенная структурная схема и временные диаграммы работы отдельных устройств цифрового вольтметра постоянного напряжения с время-импульс­ным АЦП.

Измеряемое напряжение U_ВХ подают на один из вхо­дов устройства сравнения УС. На другой вход УС подают напряжение U_гпн, формируемое генератором пилообраз­ного напряжения ГПН и изменяющееся во времени по линейному закону, т. е. U_гпн = kt, где k — коэффициент, называемый крутизной преобразования и равный скоро­сти изменения напряженияU_гпн. Высокочастотный об­разцовый генератор импульсов ГИ генерирует прямо­угольные импульсы напряжения U_ги с частотой f _ги , пода­ваемые на вход селектора.

Устройство управления УУ, на выходе которого фор­мируются отрицательные импульсы напряжения U_У, сле­дующие с частотой f_y, синхронизирует совместную рабо­ту всех блоков цифрового вольтметра. В момент времени t₁ импульсы управления U_y одновременно подаются на вход селектора и вход генератора пилообразного напря­жения ГПН. При этом ГПН запускается, и на его выходе напряжение U _гпнначинает увеличиваться, а селектор со­единяет ГИ со счетчиком импульсов СИ. В момент време­ни t₂, когда U _гпн становится равным измеряемому напря­жению U_Bх, на выходе УС формируется положительный импульс напряжрния U_c, подаваемый на вход селектора, который отключает ГИ от СИ.

Поскольку за промежуток времени t = t₂ – t₁ напря­жение U_гпн увеличивается до значения, равного U_BX, то можно записать, что U_вх=k t. Отсюда следует, что при заданной частоте f_ги и k = const промежуток времени t, в течение которого СИ соединен с ГИ, с одной стороны, пропорционален напряжению U_вх, т.е.

, а с другой стороны,

Где N – количество импульсов, поступающих на вход СИ за этот промежуток времени. Следовательно, кол-во импульсов N оказывается пропорциональным измеряемому напряжению, т.е.: N= = . В интервале t_2….t₃ сигнал в виде цифрового кода передается на цифровой индикатор. В момент времени t₃ происходит сброс показаний цифрового индикатора и цикл повторяется.

62.

ОБЩИЕ СВОЙСТВА ДВИГАТЕЛЕЙ

ПОСТОЯННОГО ТОКА

Эксплуатационные свойства двигателей постоянного тока оценивают по их механическим и рабочим характеристикам, основными из которых являются ме­ханические характеристики. .

Механической характеристикой двигателя называют зависимость частоты вращения якоря от момента сопро­тивления (тормозного момента) на валу при постоянных напряжении сети и сопротивлении в цепи возбуждения, т. е., зависимость n = f(M) при и = const и R_pв = const.

Под рабочими характеристиками понимают зависи­мости частоты вращения якоря n, тока I и мощности Р₁ энергии, потребляемых двигателем из сети, развиваемо­го им вращающего момента М и КПД η от механической мощности Р₂ на валу при тех же условиях.

Так, для установившегося режима можно записать, что

М = с_мI_яФ = М₀ + М₂,

откуда следует уравнение для тока якоря:

где - ток якоря в режиме холостого хода, а второе слагаемое – его нагрузочная составляющая.

Из данного выражения следует важный вывод:

Ток якоря в установившемся режиме зависит только от тормозного момента на валу магнитного потока двигателя.

В режиме, холостого хода ток якоря не может быть равным нулю в отличие от генерато­ра, что следует и из принципа действия двигателя.

уравнение для тока якоря в общем виде:

где - сопротивление добавочных элементов, включенных последовательно с якорем, в качестве которого могут быть использованы пусковой или регулировочный реостаты. Это может быть и сопротивление обмотки возбуждения. Тогда уравнение тока для якоря примет вид

уравнение для частоты вращения двигателя в установившемся режиме работы

Уравнение механической характеристики:

где - частота вращения двигателя в режиме холостого хода.

Двигатели с различными способами возбуждения имеют различные характеристики.

Полезная механическая мощность двигателя также зависит от момента на валу

из приведенных уравнений следует, что при номи­нальном напряжении двигателя его характеристики в первую очередь зависят от тормозного момента на, валу и магнитного потока.

общим свойством двигателей постоянного тока явля­ется свойство саморегулирования, под которым понима­ют свойства двигателя автоматически переходить от од­ного устойчивого режима работы к другому при измене­нии тормозного момента на валу

63. асинхронныe машины

Асинхронная машина - это бесколлекторная машина nepeмeннoгo тoкa, у кoтopoй в установившемся режиме магнитное поле, участвующее в основном nроцессе nреобразоваuия энергии, и ротор вращают­ся с разными скоросmями.

Наибольшее распространение получили асинхронные двигатели, причем из всех электрических двигателей они являются самыми распространенными. Преимущества асинхронного двигателя состоят в простоте устрой­ства, изготовления и эксплуатации, а также в большой надежности и сравнительно низкой стоимости. Широкое применение находит трехфазный асинхронный двига­тель (во всех от­раслях народного хозяйства). Используют также однофазный асинхронный двигатель (в схемах автоматики, для привода электроинструмента, бытовых машин и т.п.)

Кроме асинхронных двигателей. преобразующих элек­трическую энергию переменного тока в механическую, имеются асинхронные машины, выполняющие функции преобразователя частоты, регулятора напряжения и фазорегулятора.

УСТРОЙСВО АСИНХРОННЫХ МАШИН

Основными частями асинхронной машины являются статор - неподвижная часть и ротор ~ вращающаяся, часть.

Сердечник статора является неподвижной частью магнитопровода и представляет собой полый цилиндр набранный из стальных пластин, имеющих вид кольца и изолированных друг от друга. Как и в транс­форматоре, выполнение магнитопровода из отдельных пластин уменьшает потери мощности в стали, вызывае­мые вихревыми токами. Стальной сердечник магнитопровода статора закрепляют 'в стальном или алюминиевом кopпyce, охватывающем его со всех сторон. К боковым сторонам корпуса крепят подшипниковые щиты.

При штамповке стальных пластин (рис. 12.16) на внут­ренней их стороне делают выступы. различной формы.

В результате при сборке на внутренней поверхности ци­линдра статора получаются пазы, направленные вдоль

образующей цилиндра. В пазы закладывают обмотку ста­тора, которая У трехфазного асинхронного двигателя состоит из трех фазных обмоток, смещенных в простран­стве друг 'относительно друга в общем случае на угол 1200/р, где р - Количество пар полюсов результирующего магнитного Поля. Начала и концы фазных обмоток выво­дят наружу,

На паспортной пластинке; укрепленной на корпусе, ука­зывают два номинальных линейных напряжения, различающихся в раза. Меньшее значение указанного Напряжения является Номинальным напряжением, на Которое

рассчитаны фазные обмотки статора. Способ соединения обмоток зависит от' Линейного напряжения в трехфазной сети. Если Линейное напряжение Источника питания paвно наибольшему напряжению, указанному в паспорте Машины, то обмотку его статора соединяют звездой, В ПРОТИВНОМ случае - треугольником. В некоторых слу­чаях обмотки соединены внутри двигателя и снаружи имеется только Три вывода. В этом случае на щитке Указано линейное напряжение.

Ротор асинхронного двигателя также. набирают из стальных штампованных листов .Насажен­ные на вал, они образуют ротор, имеющий форму Цилиндра. По наружному пери метру листа штампуют отвер­стия, образующие пазы pотоpa, в которые закладывают обмотку. Форма пазов может быть различной (рис. 12.4). Двигатели болыпой мощности имеют ротор с вентиляци­онными отверстиями для охлаждения.

По конструктивному исполнению обмотки ротора асин­хронные двигатели подразделяют на двигатели с коротко­замкнутым ротором и двигатели с фазным ротором. Ко­роткозамхнутая обмотка образуется медными или латун­ными неизолированными стержнями, помещаемыми в пазы ротора. Поперечное сечение этих Стержней имеет форму паза. По торцам стержни соединяют медными коротко за­мыкающими кольцами. получается обмотка, не имею­щая никаких выводов). Число фаз такой обмотки равно числу пазов, в которых она размещена. У машин малой мощности, (до 100 кВт) пазы ротора зали­вают расплавленным алюмини­ем.

Обмотку фазного ротора выполняют из изолированных проводников аналогично обмотке статора. Фазные обмотки ротора соединяют звездой, при этом их начала соединя­ют с контактными кольцами, расположенными на валуи изолированными как от вала, так и друг от друга.

Контактные кольца вращаются вместе с валом. По ним скользят неподвижные щетки, к которым подсоединены реостаты, соединенные звездой .

64. ПОЛУЧЕНИЕ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ

МАГНИТНОГО ПОЛЯ.

Рассмотрим трехфазную асинхронную машину, на статоре которой расположены три одинаковые фазные обмотки, соединенные звездой.

Будем считать, что воздушный зазор между сердеч­никами статора и ротора равномерный а, магнитная проницаемость стальных участков магнитной цепи бес­конечно велика.

Если обмотки статора подключить к трехфазному симметричному источнику напряжения (к сети), то в них возникнет трехфазная симметричная система токов

Переменный ток в каждой обмотке создает перемен­ное магнитное поле, вектор магнитной индукции которо­го при сделанных допущениях имеет в воздушном зазоре только радиальную составляющую, прямо пропорциональную току в обмотке (ее МДС).

Магнитная индукция поля, создаваемого такой фаз­ной обмоткой, оказывается распределенной на полюсном делении по синусоидальному закону (строго говоря, близкому к синусоидальному). Максимального значения магнитная индукция достигает на оси фазной обмотки и изменяется во времени по синусоидальному закону, каки ток. Характep изме­нения магнитной индукции в пространстве и во времени может быть описан уравнением стоячей волны, т. е.

, где - пространственная ко­ордината, отсчитываемая от оси фазной обмотки. Такое магнитное поле, неподвижное в пространстве и изменяю­щееся во времени, Называют пульсирующим.

Так как в действительности токи в обмотках представляют трехфазную систему, то для опре­деления магнитной индукции результирующего поля

можно воспользоваться временными диаграммами фаз­ных токов (см. рис 12.9).

При t =0, ток I_AO = 0, токи

В соответствии с этим магнитная индукция фазы А на её оси , а магнитные индукции на осях В и С равны:

Через промежуток времени равный 1/12 периода, т. е. при t₁ = Т/12, токи в обмотках примут значения

i_А1 = i_С1 = +0,5Im,

iВl = -Iт.

Этим значениям токов соответ­ствуют значения магнитных индукций:

В_Ат = В_Ст = 0,5В_фт,

В_Bт = -В_фт

При этом вектор магнитной индукции результирующего магнитного поля повернется в пространстве на угол, равный 1/12 части пространственного периода. В машине с двумя полюсами это соответствует углу 30^о . Амплитудное значение вектора магнитной индукции при этом не изменилось.

Следовательно, за время, равное одному пери­оду, ось магнитного поля сделает один оборот (повер­нется на угол, соответствующий 2 ), а амплитуда векто­ра магнитной индукции остается неизменной и равной

Вт = 1,5ВФт.

Таким образом, результирующее магнитное поле, со­зданное тремя пульсирующими магнитными полями фаз, является вращающимся. Для получения такого магнит­ного поля необходимо, чтобы, во-первых, фазные об­мотки статора были сдвинуты в пространстве на некото­рый угол. И, Во-вторых, токи в фазных обмотках были сдвинуты по фазе на некоторый угол. При невыполнении хотя бы Одного из этих условий вращающееся магнитное поле возникать не будет. В самом общем случае

амплитудное значение магнитной индукции результирующего поля

Вт = В_фтт/2, где - число фаз об­мотки статора. . '

66. ОДНОФАЗНЫЙ АСИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

Ротор однофазного двигателя выполняют, как прави­ло, с короткозамкнутой обмоткой. На статоре двигателя располагают одну фазную обмотку (рис. 12,42а), занимаю­щую. примерно 2/3 окружностей статора. Переменный ток в обмотке статора, изменяющийся во времени по синусо­идальному закону создает, пульсирующее магнитное поле, магнитная индукция ко­торого распределена в воздушном зазоре по синусоидаль­ному закону, т. е.

где а - пространственный. угол, отсчитываемый от оси фазной обмотки.

Пользуясь формулой пульсирующее магнит­ное поле, неподвижное в пространстве, можно заменить суммой двух идентичных магнитных полей, вращающихся относительно статора с одинаковой частотой

но в противоположныx направлениях:

При неподвижном Роторе Эти поля создают одинако­вые вращающие моменты, направление которых, как и в

трехфазном асинхронном двигателе, совпадает с направлением вращения магнитных полей. Так как магнитные

поля вращаются в противоположных по отношению к статору направлениях, то создаваемые ими вращающие моменты действуют на ротор также в противоположных направлениях и пусковой момент двигателя при этом оказывается равным нулю.

Допустим, что ротор под деиствием

каких-либо причин вращается. Магнит­ное поле, направление вращения которо­го совпадает с направлением вращения

ротора, называют прямым, маГнитное поле ротивоположного направления называют обратным. Обозначим частоту вращения ротора в На­правлении прямого поля п2. Тогда сколь­жение по Отношению к прямому полю

а по отношению к обратно­му полю

Прямое и обратное вращающиеся магнитные поля

создают вращающие моменты

С учетом связи между S_I и S_II и того, что моменты M_I и M_II противоположны по направлению построены зависимости M_I(S_I), M_II(S_II) и суммарный момент M(S).

1. Однофазный двигатель не имеет пускового момента (при В1 = SП = 1 вращающий мо­мент М = Мп = О), и ДЛЯ тогочтобы ротор начал вращать­ся, к его валу нужно кратковременно приложить внешний момент Мвн, превышающий тормозной момент МТ на валу. В результате двигатель начнет вращаться самостоятельно в направлении приложенного внешнего момента.

2. Частота вращения даже при холостом ходе у одно­фазного асинхронного двигателя меньше, чем у трехфаз­ного, так как обратное магнитное поле создает тормоз­ной момент на валу.

3. Рабочие характеристики этого двигателя также хуже, чем у трехфазного.

4. Однофазный двигатель имеет меньшую перегру­зочную способность,

так как максимальное значение Мтах

вращающего момента меньше максимального значения момента M_I

67. ТРЕХФАЗНЫЙ АСИНХРОНПЫЙ ДВИRАТЕЛЬ В ОДНОФАЗНОМ РЕЖИМЕ.

Трехфазный асинхронный двигатель может ока­заться в однофазном режиме при обрыве одного из линей­ных проводов (перегорание предохранителя, повреждение провода или нарушение контакта). Если это происходит до пуска двигателя, то обмотки статора создают пульсирую­щее, а не вращающееся,. магнитное поле, и двигатель с места не тронется, так как он по сути становится однофаз­ным и его пусковой момент равен нулю (будет слышно лишь гудение, вызванное пульсирующим магнитным по­лем). Если обрыв происходит при работе двигателя, то двигатель продолжает вращаться. При тяжелых условиях работы (при большом тормозном моменте Мt) может ока­заться, что максимальное значение вращающего момента в однофазном режиме меньше тормозного момента. В этом случае двигатель остановится, и если защитные устрой­ства его не отключат, то его обмотки cтатopa сгорят.

Трехфазный асинхронный двигатель может быть ис­пользован при питании от однофазной сети. Возможные схемы включения трехфазных асинхронных двигателей в однофазную сеть

68. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ.

Синхронная машина ~ это машина переменного тoкa, у кoтopoй в установившемся режиме магнит­ное поле, участвующее в основном процессе преобра­зования энергии, и ротор имеют одинаковую частоту вращения ­

На современных электростанциях электроэнергию вырабатывают синхронными генераторами, которые при­водятся во вращение. паровыми или гидравлическими тур­бинами

Применяют синхронные машины также в качестве двигателей. Синхронные двигатели имеют постоянную частоту вращения, поэтому их применяют там, где нет необходимости регулировать частоту вращения' или где она должна быть постоянной. Синхронные двигатели имеют большую мощность (от 50 кВт до десятков тысяч киловатт), а также высокий КПД.

Статор синхронных машин имеет такое же устрой­ство, как и статор асинхронной машины. Трехфазную обмотку, размещенную в пазах сердечника статора, вы­полняют с таким же числом полюсов, как и ротор. в син­хронных машинах обмотку статора принято называть обмоткой якоря, а сердечник статора вместе с обмот­кой - якорем. Однако статор синхронных машин име­ет и некоторые конструктивные особенности, обуслов­ленныe необходимостью его интенсивного охлаждения, так как в крупных синхронных машинах мощность по­терь энергии, преобразующейся в тепловую, очень ве­лика. Поэтому в таких крупных машинах в системах охлаждения в качестве хладагентов используют водород, трансформаторное масло и дистиллированную воду.

Ротор синхронных машин конструктивно выполня­ют либо явнополюсным (с явно выраженными полюса­ми), либо неявнополюсным (с неявно выраженными по­люсами) . На роторе располагают обмотку возбужденuя. Ее подключают к источнику постоянного напряжения, называемого возбудителем. Таким образом, ротор синх­ронной машины имеет свой магнитный поток, который

определяет полярность его полюсов. В этом заключается' принципиальное конструктивное отличие ротора синхрон­ной машины от ротора асинхронной машины, поляр­ность полюсов которого всегда определяется полярностью полюсов статора.

Системы возбуждения. Системой возбуждения назы­вают совокупность электрических машин, аппаратов и устройств, предназначенных для питания обмотки воз­буждения синхронных машин постоянным током и регулирования этого тока (тока возбуждения), причем ток

. возбуждения Iв = Uв/Rв изменяют только изменением напряжения возбудителя Uв.

в незавuсuмой щеточной системе возбуждения в качестве возбудителя используется генератор постоянного тока, устанавливаемый на одном валу с ро­тором синхронной машины. В этом случае напряже­ние от обмотки якоря возбудителя подают через щетки на контактные кольца, расположенныe на. валу ротора, с которыми соединена обмотками возбуждения синхронной машины. Регулирование тока возбуждения в синхронной машины осуществляют изменением тока в обмотке возбуждения возбудителя, регулируя таким образом напряжение на его зажимах. Для. этого в систе­ме возбуждения установлен регулятор напряжения.

В щёточной системе (система с самовозбуждением) для питания используется часть энергии, вырабатываемой самим генератором.

В бесщёточной системе возбудителем в отличие от щеточ­ной системы возбуждения возбудителем является трехфазный синхронный генератор обращенно­го типа, в .котором обмотка возбуждения расположена на статоре, а обмотка якоря расположена на валу ротора синхронной машины и вращается вместе с ним.

69. СИНХРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ.

При вращении возбужденного ротора трехфазного синхронного генератора с частотой п в фазных обмотках статора основным магнитным потоком Фо индуцируется трехфазная симметрич­ная система ЭДС

Действующее значение ЭДС Ео в каждой фазной об­мотке статора и соответствующая комплексная ЭДС Ео соответственно равны:

(13.1)

где f= рn/60 - частота индуцированной ЭДС, w ~ чис­ло витков фазной обмотки статора, k_об - ее обмоточный коэффициент, фот - магнитный поток полюса ротора, создаваемый обмоткой возбуждения и называемый ос­новным магнитным потоком.

Если к выводам обмотки статора (обмотки якоря) под­ключить трехфазный. симметричный приемник электрической энергии с сопротивлением Z_н (рис. 13.7), то в фазных обмотках якоря и фазах приемника возникнет трехфазная симметричная система токов I_A, I_B и I_C, ко­торая создаст вращающееся магнитное поле якоря как и в асинхронных машинах. Число полюсов 2р этого поля равно числу по­люсов ротора, а магнитный поток полюса статора (яко­ря) равен Фят­

Частота вращения n₁ этого магнитного поля относи­тельно статора:

Следовательно, магнитное поле, создаваемое обмоткой якоря; вращается относительно статора с частотой, равной частоте вращения ротора, т. е. синхронно с ним. Поэтому результирующий магнитный поток Ф равен ,сумме основного потока и по­тока якоря (Фт = Ф_От + Ф_ят) И вращается также с синхронной скоростью. Этот Поток, как и основной, непод­вижен относительно ротора.

Вопрос №94

Выпрямители. Выпрямитель это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования переменного тока в постоянный. Основными элементами выпрямителя (см. рис 15.1 ) являются трансформатор Т, диоды VD, с помощью которых обеспечивается однонаправленное (униполярное) протекание тока в цепи нагрузки, в результате чего выходные напряжение и ток выпрямителя из переменного преобразуются в пульсирующие однополярные. Для сглаживания пульсаций напряжения и выходного тока между нагрузкой и выпрямителем включают электрические фильтры Ф .

Рис 15.1 .Структура источника питания на основе выпрямителя.

Классификация схем выпрямителей. Классифицируют схемы выпрямителей по ряду признаков:

- по числу фаз питающего источника переменного напряжения. Различают схемы однофазного (рис 15.2 а,б ) и трехфазного токов (рис 15.2 в ). В очень мощных судовых установках электродвижения, в которых используются управляемые полупроводниковые выпрямители применяют шести и двенадцатифазные выпрямители.

- схемы выпрямителей разделяются на однотактные и двухтактные. К однотактным относятся такие схемы, у которых по вторичным обмоткам трансформатора ток протекает только один раз за полный период (рис 15.3 ). К двухтактным схемам относятся такие, у которых в каждой фазе вторичной обмотки трансформатора ток протекает дважды за каждый период, причем в противоположных направлениях. Схемы выпрямления, относящиеся к двухтактным, называют также мостовыми (схемы б и в на рис 15.2).

Рис 15.2 Основные схемы однофазных и трехфазных выпрямителей.

Работа однофазного однотактного выпрямителя (рис 15.2 а).

В течении каждого периода ток I _d в цепи вторичной обмотки трансформатора и сопротивления нагрузки R _н проходит в течении одного полупериода ( график на рис 15.3 ).

Рис 15.3 Временная диаграмма тока и напряжения однотактного выпрямителя

Напряжение вторичной обмотки трансформатора U₂ также прикладывается к нагрузке в течении полупериода. Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке равно U₀ = U_{2 м} / π =0,45 U₂ (15.1)

Следовательно, чтобы получить на нагрузке напряжение U₀, нужно иметь на вторичной обмотке трансформатора напряжение

U₂ = 2,22 U₀ (15.2)

Коэффициент использования трансформатора по напряжению очень низкий и схема выпрямления неэкономична. Величина обратного напряжения, прикладываемого к диоду, когда он заперт, равна амплитудному значению вторичного напряжения трансформатора U_{2 м.} Кроме того, схема дает значительные пульсации переменной составляющей выпрямленного напряжения и требует мощного фильтра для подавления этих пульсаций.

Вопрос №95

Выпрямители. Выпрямитель это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования переменного тока в постоянный. Основными элементами выпрямителя (см. рис 15.1 ) являются трансформатор Т, диоды VD, с помощью которых обеспечивается однонаправленное (униполярное) протекание тока в цепи нагрузки, в результате чего выходные напряжение и ток выпрямителя из переменного преобразуются в пульсирующие однополярные. Для сглаживания пульсаций напряжения и выходного тока между нагрузкой и выпрямителем включают электрические фильтры Ф .

Рис 15.1 .Структура источника питания на основе выпрямителя.

Классификация схем выпрямителей. Классифицируют схемы выпрямителей по ряду признаков:

- по числу фаз питающего источника переменного напряжения. Различают схемы однофазного (рис 15.2 а,б ) и трехфазного токов (рис 15.2 в ). В очень мощных судовых установках электродвижения, в которых используются управляемые полупроводниковые выпрямители применяют шести и двенадцатифазные выпрямители.

- схемы выпрямителей разделяются на однотактные и двухтактные. К однотактным относятся такие схемы, у которых по вторичным обмоткам трансформатора ток протекает только один раз за полный период (рис 15.3 ). К двухтактным схемам относятся такие, у которых в каждой фазе вторичной обмотки трансформатора ток протекает дважды за каждый период, причем в противоположных направлениях. Схемы выпрямления, относящиеся к двухтактным, называют также мостовыми (схемы б и в на рис 15.2).

Рис 15.2 Основные схемы однофазных и трехфазных выпрямителей.

Трехфазная мостовая схема выпрямления.

Разберем работу этой схемы, изображенной на рис. 15.2 в) . В момент времени, когда наибольшее положительное значение имеет линейное напряжение U_аб , ток под действием этого напряжении потечет от узла «а» к узлу «в» через диод VD₁, сопротивление нагрузки R , диод UD₂ и замкнется через фазы «в» и «а» питающего трансформатора. При этом напряжение на нагрузке будет равно линейному напряжению U_аб (смотри диаграмму на рис 15.5 ). Известно что линейное напряжение U_аб = √3 U₂. Поэтому среднее выпрямленное напряжение в интервале одного периода питающего напряжения гораздо больше действующего значения напряжения вторичной обмотки трансформатора и составляет :

U₀ =2,34 U₂

И соответственно имеет наилучшие показатели по использованию трансформатора: U₂ = 0,427 U₀

Рис. 15.5 Временная диаграмма напряжений трехфазного мостового выпрямителя.

Как следует из диаграммы на рис.15.5 амплитуда переменной составляющей выпрямленного значения имеет минимальное значение. Коэффициент пульсаций

К_п = U_{аб ампл.} / U₀ = 0,06.

Вопрос №96

Электронным усилителем называют устройство, в котором входной сигнал напряжения или тока используется для управления током (а следовательно, и мощностью), поступающим от источника питания в нагрузку.

Вопрос №90

Транзисторы

Транзисторами называют трехэлектродные полупроводниковые приборы, у которых кроме основных электродов для подключения источника силового питания имеется еще третий электрод для подачи сигнала управляющего воздействия.

А. Биполярные транзисторы и их свойства.

Биполярный транзистор представляет собой кристалл полупроводника состоящий из трех слоев с чередующейся проводимостью (р-п-р или п-р-п), снабженный тремя электродами для подключения к внешней цепи.. На рис. изображена структура и условные графические обозначения транзисторов типов p-n-р и п-р-п.

Рис.16.1 Структура и условные обозначения биполярных транзисторов типов р-п-р и п-р-п.

В качестве исходного материала для изготовления транзисторов применяют германий или кремний. В пластинке полупроводника создают два электронно-дырочных перехода разделяющих пластинку на три части. Крайние части называют эмиттером (э) и коллектором (к). Между ними, отделенная двумя р-п переходами часть получившая наименование базы (б). Электронно-дырочные переходы,, отделяющие базу от эмиттера и коллектора получили наименование и эммитерного и коллекторного р-n переходов. Толщина базы (расстояние между коллекторным и эмиттерным переходами) должна быть достаточно мала, чтобы свободные носители тока, проникшие через эмиттерный переход в базу, могли достигать области коллекторного перехода. Второе условие, обеспечивающее работоспособность транзистора_а состоит в том, что в области эмиттера количество атомов примеси, обеспечивающее наличие свободных носителей тока примесной проводимости должно быть на много больше, чем в области базы, где наличие свободах носителей тока желательно иметь поменьше. Что касается до области коллектора, то количество зарядообразующей примеси в нем может быть несколько меньше или равно количеству примеси в эмиттере. Биполярные транзисторы включаются обычно по одной из двух схем, показанных на рис.16.1. На этом рисунке изображено подключение транзистора типа р-п-р. Подключение транзистора типа п-p-n аналогично, эа исключением того, что полярности подключения источников питания обратны, что будет показано в дальнейшем. Принцип действия транзисторов обоих типов одинаков. На рис16.1-а изображена схема включения транзистора.с общей базой. На рис.16.1-б схема с общим эмиттером. Названия показывают, что на этих электродах соединяются источники питания цепей базы и коллектора.

Рис. 16.2-а Схема включения с общей базой.

Рассмотрим работу транзистора, включенного по схеме 29-a, c общей базой. В этой схеме каждый из р-n переходов получает питание от отдельного источника э.д.с. Эмиттерный переход (1) находится под воздействием разности потенциалов, создаваемой э._.д.с батареи Еэб и входного напряжения U_вх. Общая разность потенциалов приложенная к эмиттерному переходу такова, что он заполнен носителями тока и следовательно открыт. Коллекторный переход (2) подключен под воздействие э.д.с Е эк собственного источника питания, полярность которого направлена в сторону запирания р-п перехода.

В результате приложения к змиттерному переходу прямого (отпирающего) напряжения происходит интенсивная диффузия (инжекция) дырок из эмиттера в базу. Поскольку база в транзисторе выполняется тонкой (несколько мкм), основная часть дырок, инжектированных эмиттером, достигает коллекторного р-п перехода (2), где дырки оказываются под воздействием электрического поля коллекторного источника питания, увлекающего их через р-n переход по направлению действия э,д.с. Е_бк. В области базы имеется некоторое количество свободах отрицательных (п) носителей тока и часть положительных (р) дырок рекомбинирует в области базы с электронами позтому ток I_к через коллекторный (2) переход получается немного меньше тока эмиттерного (I) перехода 1_э. Число рекомбинировавших в базе дырок бывает обычно невелико и коэффициент передачи тока эмиттера в коллектор

α = Δ I_к / Δ I_э = 0,9 - 0,99. (16.1)

Убыль электронов в базе рекомбинировавших с дырками, эмиттерного тока восполняется базовым током 1_б, который поступает из источника питания эмиттер – база._.

Если разность потенциалов между эмиттером и базой изменять, то соответственно будет меняться и сила эмиттерного тока. Соответственно будет изменятся и ток I_к в коллекторной цепи. Из первого закона Кирхгофа I _э = I_к +I_б. Кроме того, мы приняли I_к / I_э ⁼ α Отсюда можно найти:

I_к = (α / 1- α) I_б (16.2)

Ток эммитера и коллектора почти одинаковы по силе и каскад усиления по току не дает. Получается только усиление по напряжению, так как для управления током эмиттера требуется много меньшее напряжение, чем падает на сопротивлении R _к в цепи коллектора.

Вопрос №91

Полевые транзисторы и их применение.

Транзисторами называют трехэлектродные полупроводниковые приборы, у которых кроме основных электродов для подключения источника силового питания имеется еще третий электрод для подачи сигнала управляющего воздействия.

Полевые транзисторы с р-п-переходом. Устройство поясняется на рис. 17.1, где изображен полевой транзистор с п-каналом. Электрическая схема каскада с полевым транзистором показана на рис .

Рис. 17.1 Схема, поясняющая устройство полевого транзистора с р-п-каналом

Основой транзистора служит стержень из полупроводника с примесной проводимостью ( на рисунке с электронной «n»- проводимостью). К концам стержня присоединены выводные металлические концы для присоединения к схеме. Один из выводов назван «исток» ( обозначен И, другой вывод назван «стоком» (С). Между электродами образуется проводящий электрический ток канал с «n»- проводимостью. Вокруг канала методом вплавлении в тело стержня 3-х валентного бора В образовано кольцо с дырочной «р»- проводимостью. Этот кольцевой электрод называют «затвором» (З). Таким образом между проводящим каналом и затвором образуется р-n переход. К выводным концам стока и истока через сопротивление нагрузки подключают источник питания. Плюс к электроду сток, минус - к электроду исток. Под действием напряжения источника питания по каналу транзистора идет электрический ток. Площадь зоны проводимости канала зависит от напряжения U_з-и , действующего между затвором и истоком. При подаче на затвор напряжения отрицательной полярности ширина запорного слоя р-п – перехода будет увеличиваться в направлении проводящего канала и площадь зоны проводимости будет сужаться. Это приведет к уменьшению тока через канал. Изменяя численное значение отрицательного напряжения между затвором и истоком можно управлять силой тока Ic главной цепи « сток – исток». Ввиду того , что управляющее напряжение затвор – исток приложено к р-п-переходу в направлении запирания, сопротивление по цепи управления очень велико ( как у запертого диода). Следовательно затраты мощности на управление полевым транзистором ничтожно малы.

Вопрос №89

Выпрямительные диоды. Выпрямительные диоды состоят из кристалла кремния ила германия в котором создан р-n переход, заключенный в металлические или пластмассовые корпуса. Корпуса мощных выпрямительных диодов, предназначенных для выпрямления токов силою в десятки и более ампер, выполняются обязательно металлическими, снабженными охладительными радиаторами. Слаботочные диоды работают без радиаторов при условии нормального (незатрудненного) обдува их окружающим воздухом

Важнейшие эксплуатационные параметры диодов:

- максимально допустимое значение среднего прямого тока I _{пр. макс};

- максимально допустимое постоянное обратное напряжение U _{обр. макс.;}

_- прямое падение напряжения на диоде U _пр. при номинальном значении прямого тока через диод;

- сила постоянного обратного тока через диод I _обр. измеренная при номинальном значении обратного напряжения.

Максимально допустимое постоянное обратное напряжение определяется их классом:

-1 класс до 100 В обратного напряжения;

-2 класс до 200 В, 3 –й до 300 В и т.д. Выпускаются диоды до 5000В обратного напряжения.

При превышении напряжения выше указанного классом возникает пробой р-n – перехода и его разрушение. При превышении максимально допустимого тока происходит тепловой пробой (выгорание) перехода.

Вольтамперная характеристика диода – это зависимость прямого I_пр и обратного I _обр токов диода соответственно от прямых U _пр и обратных U _обр напряжений. На рис 14.1 . изображена типичная вольтамперная характеристика выпрямительного диода.

Рис14.1. Вольтамперная характеристика диода.

Другое применение полупроводниковых приборов с р-n – переходом.

Стабилитроны. На вольтамперной характеристике диода (рис. 14.1 ) видно, что при протекании прямого номинального тока падение напряжения на диоде ΔU _пр практически постоянно. Приборы, имеющие аналогичную характеристику при обратном напряжении и способные пропускать обратный ток определенной (ограниченной) величины называются стабилитронами. Вольтамперная характеристика стабилитрона приведена на рис 14.2 а) . Как видно из характеристики, стабилитрон способен работать в режиме неразрушающего электрического пробоя при допустимом обратном токе I _{обр доп} . Следовательно, при использовании стабилитрона в схеме стабилизатора напряжения, изображенной на рис 14.2 б) необходимо ограничить обратный ток балластным резистором R бал.

Рис 14.2 а) вольтамперная характеристика стабилитрона, б) схема стабилизации напряжения.

Стабистор действует по тому же принципу, как и стабилитрон, но для стабилизации напряжения используется прямая ветвь вольтамперной характеристики (в области прямой проводимости). Стабисторы используются для стабилизации малых значений напряжений от долей вольта до единиц.

Вопрос№100

Триггеры

Основные сведения. Триггерами называют большой класс электронных уст­ройств, обладающих способностью длительно находиться в одном из двух или более устойчивых состояний и чередовать их под воздействием внешних сигналов. В отличие от комбинационных логических схем, триггеры — это логические уст­ройства с памятью. Их выходные сигналы в общем случае зависят не только от сигналов, приложенных к входам в данный момент времени, но и от сигналов, воздействовавших на них ранее. В зависимости от свойств, числа и назначения входов триггеры можно разделить на несколько видов.

Виды триггеров. Триггер Г(рис. 13.1) можно представить в общем случае как устройство, состоящее из ячейки памяти ЯП и логического устройства ЛУ управ­ления, преобразующего входную информацию в комбинацию сигналов, под воз­действием которых ЯП принимает одно из двух устойчивых состояний.

Информационные сигналы поступают на входы А и В ЛУ и преобразуются в сигналы, поступающие на внутренние входы S' и R' ЯП. Процесс преобразо­вания информационных сигналов осуществляется при воздействии сигналов, подаваемых на вход Т предустановки и вход С синхронизации. Вход Т обычно

используется для разреше­ния приема информации, а исполнительный вход С обеспечивает тактируемый прием информации. В про­стейшем триггере ЛУ мо­жет отсутствовать, а ин­формационные сигналы подаются непосредственно на входы S и R ЯП.

При наличии входа С триггер называют син­хронным, а при его отсут­ствии — асинхронным. Изменение состояния асин-

Рис. 13.1. Обобщенное устройство триггера

хронного триггера происходит сразу же после соответствующего изменения потенциалов на его информационных входах А и В. В синхронном триггере изме­нение состояния может произойти только в момент присутствия соответствующе­го сигнала на входе С. Синхронизация может осуществляться импульсом (потен­циалом) или фронтом (перепадом потенциала) В первом случае сигналы на информационных входах оказывают влияние на состояние триггера только при разрешающем потенциале на входе С. Во втором случае воздействие информаци­онных сигналов проявляется только в момент изменения потенциала на входе С, т е. при переходе его от 1 к 0 или от 0 к 1. Универсальные триггеры могут работать как в синхронном, так и в асинхронном режимах

Вопрос №102

Шифратором называют кодовый преобразователь, который имеет п входов и k выходов, и при подаче сигнала на один из входов (обязательно только на один) на выходах появляется двоичный код возбужденного входа Очевидно, что число выходов и входов в полном шифраторе связано соотношением

Рассмотрим принцип построения шифратора на примере преобразования 8-разрядного единичного кода в двоичный код Схема такого шифратора приве­дена на рис 15 3 а, а его условное схематичное обозначение — на рис 15.3 б. Если все входные сигналы имеют нулевое значение, то на выходе шифратора будем иметь нулевой код Yo=Y\=Yi=0

Младший выход, т е. выход с весовым коэффициентом, равным 1, должен возбуждаться при входном сигнале на любом из нечетных входов, так как все

Рис 15.3. Схема шифратора восьмиразрядного единичного кода (а) и его условное схематическое обозначение (б)

нечетные номера в двоичном представлении содержат единицу в младшем разря­де. Следовательно, младший выход — это выход схемы ИЛИ, к входам которой подключены все входы с нечетными номерами.

Следующий выход имеет вес два. Он должен возбуждаться при подаче сигна­лов на входы с номерами 2, 3, 6, 7, т. е. с номерами, имеющими в двоичном представлении единицу во втором разряде. Таким образом, входы элемента ИЛИ должны быть подключены к входным сигналам, имеющим указанные номера.

Как следует из выполненного построения, при помощи шифратора можно сократить (сжать) информацию для передачи ее по меньшему числу линий связи, так как k<n. Обратное преобразование, т. е. восстановление информации в перво­начальном виде можно выполнить с помощью дешифратора. Очевидно, что максимальное число входов шифратора не может превышать количество возмож­ных комбинаций выходных сигналов, т. е. необходимо выполнение условия й<2* (см. уравнение (15.1) для полного шифратора).

Дешифратором называют преобразователь двоичного я-разрядного кода в унитарный 2"-разрядный код, все разряды которого, за исключением одного, рав­ны нулю. Дешифраторы бывают полные и неполные. Для полного дешифратора выполняется условие:

где п — число входов, а N — число выходов.

В неполных дешифраторах имеется п входов, но реализуется N<2" выходов. Так, например, дешифратор, имеющий 4 входа и 10 выходов будет неполным, а дешифратор, имеющий 2 входа и 4 выхода, будет полным.

Вопрос №96

Электронным усилителем называют устройство, в котором входной сигнал напряжения или тока используется для управления током (а следовательно, и мощностью), поступающим от источника питания в нагрузку.