Питання для самоперевірки
Чому станину машини постійного струму виконують у вигляді виливка, а сердечник - шихтованим?
Від яких параметрів залежать ЕРС якоря й електромагнітний момент МПС?
У чому сутність реакції якоря і як вона впливає на напругу, що генерується МПС?
Як класифікуються МПС за способом збудження?
Для чого призначена послідовна обмотка збудження в МПС з паралельним збудженням?
З якою метою в коло якоря двигуна постійного струму включається реостат?
Чому не можна реверсувати двигуни паралельного й послідовного збудження зміною полярності джерела живлення?
Які існують способи регулювання частоти обертання двигунів постійного струму? Переваги й недоліки цих способів.
Якими способами роблять електричне гальмування двигунів постійного струму?
Література: 1, с. 297-333; 2, с.429-475; 3, с.127-167; 4, с.349-395; 5, с. 364-403.
Розділ «Електроніка» базується на розділах фізики "Електричний струм у газах" і "Фізика твердих тіл". Сучасне технологічне встаткування, як правило, містить у собі електронні прилади й пристрої, у зв'язку із чим для правильної експлуатації промислових установок фахівцям необхідні глибокі знання матеріалу цієї теми.
У наш час розвиток електроніки йде по шляху мікромініатюризації та цифрової обробки інформації. В основі мікромініатюризації лежить елементна інтеграція в одному мініатюрному функціональному вузлі - інтегральній схемі - великої кількості найпростіших елементів (діодів, тиристорів, резисторів). Такий розвиток промислової електроніки в сполученні із цифровою обробкою різко зменшує габаритні розміри апаратури, підвищує надійність і точність її роботи, полегшує умови експлуатації та обслуговування.
Електронні пристрої, використовувані в технологічному встаткуванні, складаються з електронних приладів різних класів, для роботи яких необхідно знати фізичні процеси, що протікають у цих приладах, їхні характеристики й області застосування. Особливу увагу варто звернути на принцип дії й характеристики різних електронних пристроїв - випрямлячів, тиристорних перетворювачів, електронних підсилювачів.
При вивченні даної теми слід керуватись наступними розділами робочої програми:
Електроніка, її значення в сучасному виробництві, науці й техніку. Класифікація основних електронних пристроїв. Коротка історія й перспективи розвитку.
Напівпровідникові прилади. Утворення та властивості р – п переходу. Напівпровідникові резистори, діоди, тиристори, біполярні та польові транзистори. Фотоелектричні напівпровідникові прилади.
Електровакуумні двох- і багатоелектродні лампи. Основні характеристики ламп. Електронно-променеві трубки. Фотоелектронний примножувач. Поняття про газорозрядні прилади. Тиратрони. Газорозрядні індикатори.
Випрямлячі. Електричні схеми й співвідношення основних електричних величин однофазних і трифазних випрямлячів. Паралельне й послідовне з'єднання діодів. Електричні фільтри. Основи розрахунку й вибору елементів. Зовнішні характеристики випрямлячів.
Тиристорні перетворювачі, як регулятори напруги. Способи керування тиристорами. Схема керування тиристорами за допомогою найпростішого фазообертача. Поняття про інвертори та перетворювачі частоти. Тиристорний "контактор" постійного і змінного струму.
Напівпровідникові й електронні підсилювачі. Графоаналітичний аналіз роботи підсилювача з колекторним навантаженням. Основні параметри підсилювача. Температурна стабілізація роботи підсилювача. Особливості підсилювача на польовому транзисторі. Поняття про багатокаскадні підсилювачі. Двокаскадний підсилювач із R-С зв'язком. Зворотні зв'язки в підсилювачах, їхній вплив на параметри й характеристики підсилювачів. Підсилювачі постійного струму. Дрейф нуля. Підсилювачі потужності. Поняття про інтегральні схеми. Принципи їхньої побудови. Параметри інтегральних мікросхем.
Індикація цифрової інформації. Поняття про аналого-цифрові перетворювачі (АЦП).
Зверніть увагу, що напівпровідники за питомим опором займають проміжне положення між металами й діелектриками. Електропровідність напівпровідників може різко змінюватися внаслідок дії різних факторів. Вона залежить від введення в їх кристалічну структуру трьох- або п’ятивалентної домішки зазначених елементів, від температури, освітлення, стискування та розтягування електромагнітного кола, радіації тощо. Необхідно розуміти всі закономірності, а також способи створення електронно-дірчастого n-p переходу, що виникає в надто тонкому шарі на межі стикання напівпровідника з металом, або двох шарів напівпровідника, що мають різну провідність. Цей запірний шар має потенціальний бар’єр, який у германієвих приладах дорівнює близько 0,3...0,4, а в кремнієвих – близько 0,7......0,9 В.
Напівпровідникові прилади широко застосовуються в електронній апаратурі. Фізичні принципи їх дії значно складніші від електровакуумних.
Напівпровідникові прилади належать до групи електронних вентилів, у яких протікають складні фізичні процеси під час руху електронів і дірок як носіїв зарядів під впливом напівпровідників, що створюються в їх кристалічній структурі. При цьому відрізняють напівпровідники з електронною домішковою провідністю та домішковою провідністю.
Щоб створити можливість проходження основних носіїв заряду в прямому напрямі, треба прикласти напругу від зовнішнього джерела живлення "плюсом" до p-шару, а "мінусом" – до n-шару діода. При цьому потенціальний бар’єр скомпенсується, а внутрішній опір вентиля в прямому напрямі різко зменшиться. Через діод потече прямий струм –
.
Діоди та транзистори бувають: низько-, середньо- і високочастотними; малої, середньої та великої потужності.
Основними параметрами напівпровідникових діодів є середнє значення випрямлення струму, найбільше значення допустимої зворотної напруги, найбільший зворотний струм, пряме падіння напруги, частотні й температурні межі тощо. Наприклад, германієві діоди можуть працювати при температурі від -50 до +80 °С, а кремнієві - до +150 °С. Із збільшенням температури параметри діодів погіршуються. Зростає прямий струм, але більшою мірою зростає шкідливий зворотний струм, зменшується коефіцієнт випрямлення:
зменшується допустима зворотна напруга. Кремнієві вентилі теплостійкіші.
Основні параметри біполярних транзисторів: коефіцієнт підсилення струму: вхідний та вихідний опори; опір шару бази Rб, диференціальний опір відкритого елементарного переходу Rв, диференціальний опір зворотно-зміщеного колекторного переходу Rk; паразитні ємності емітерного та колекторного переходів; допустима потужність, що розсіюється транзистором, номінальна робоча температура, частотні границі, найбільший струм електрода, найбільша напруга колектора, зворотний і початковий струми колектора.
У польових транзисторах будь-якої структури є три електроди: виток, що використовується як катод, стік, що використовується як анод, та затвор, що використовується як керуюча сітка електровакуумного тріода. В електронних пристроях ці електроди можуть вмикатися за схемою із спільними джерелом, стоком і затвором. Рекомендується ознайомитися з їх робочими параметрами; вольт-амперними, стоково-запірними та стоковими характеристиками, аналогічнми анодно-сітчастим і стоковим характеристикам, та анодними характеристиками пентодів. Завдяки простішій технології уніполярних польових МОП ці транзистори широко застосовуються також у мікромініатюрній електроніці.
В електронних пристроях поряд з напівпровідниковими приладами та інтегральними мікросхемами все ще застосовують електровакуумні прилади, що довели свою працездатність у широкому діапазоні частот з великими температурними перепадами, з низькими та високими напругами, для малих і великих потужностей.
Вивчаючи їх, треба звернути увагу на особливості проходження струму у вакуумному просторі кожної лампи під час дії електричного поля, що створюється зовнішніми джерелами живлення. Необхідно запам'ятати, що технічний напрям електричного струму протилежний напряму руху електронів. Для вивчення підсилювальних ламп треба розуміти призначення керуючої сітки в тріоді, пентоді, променевому пентоді, а також змінної напруги, якою керують силою анодного струму в межах від нуля до максимального значення, що відповідає струму насичення.
Запитання й завдання для самоперевірки
Яка будова напівпровідникових точкових і площинних діодів? Укажіть їх особливості та область застосування.
Як виникає власна провідність у напівпровіднику? Як вона змінюється із зміною температури?
Поясніть фізичні принципи роботи напівпровідникового діода. Що таке електронно-дірчастий n-p перехід, запірний шар, потенціальний бар’єр, вентильні властивості діода? Намалюйте та поясніть вольт-амперні характеристики германійового та кремнійового діодів.
Перелічіть переваги та недоліки напівпровідникових діодів.
Які будова і принцип дії плоских біполярних транзисторів типу і n-p-n?
Накресліть схеми вмикання транзисторів типу р-n-p для зняття сімейства статичних вхідних і вихідних характеристик.
Поясність будову, призначення, принцип дії та вольт-амперну характеристику тиристора. Наведіть схему його вмикання.
Які схеми зняття статичних вольт-амперних характеристик діодів, тріодів.
Які види електронної емісії використовуються в електронних лампах?
Покажіть на ЄСКД умовні графічні позначення електровакуумних електронних приладів.
Література: 5, с. 19-43, 63-80, 177-215, 129-177, 43-53
Вивчаючи тему «Електронні пристрої», треба мати на увазі, що приблизно третя частина вироблюваної електростанціями електроенергії змінного струму використовується у вигляді енергії постійного струму В промисловості і на транспорті. Для перетворення змінного струму в постійний застосовуються різноманітні випрямні пристрої.
Залежно від призначення випрямні пристрої виготовляються на різні значення випрямлених напруги та струму, тобто на різні потужності: від долей одиниць ват до тисяч кіловат. Чим потужніший випрямляч, тим складніша його будова. Якщо найпростіший /малої потужності/ випрямляч, зібраний за однією із схем випрямляння, складається з невеликого шасі, силового трансформатора, напівпровідникових діодів і згладжувального фільтра, то стабілізований випрямляч навіть середньої потужності має складне обладнання значних розмірів, маси і вартості.
У кожному окремому випадку залежно від призначення й розрахункових параметрів випрямляча слід навчитися підбирати з довідника чи каталога вентилі потрібного типу, щоб попередньо розрахувати основні параметри: середнє значення випрямленого струму, який проходить через кожний вентиль, його максимальне значення, максимальне значення зворотної напруги, прикладеної до вентиля в непровідний напівперіод, діюче значення випрямленого струму, який проходить через напівпровідникові діоди (мають бути дещо меншими за допустимі параметри, вказані в довіднику).
Треба знати, що з необхідністю послідовного вмикання германійових чи кремнійових діодів у кожне плече випрямляча їх слід щунтувати резисторами, прирівнюючи значення зворотної напруги на кожному діоді. При паралельному з'єднанні зазначених діодів слід послідовно з кожним діодом вмикати резистор з опором близько 5...8 Ом, щоб зрівняти струми, що проходять у вітці кожного діода.
Потрібно також запам’ятати, що найбільший ККД мають випрямлячі, зібрані на напівпровідникових діодах, які мають надто малий внутрішній опір у прямому напрямі і не мають кіл розжарювання (проаналізуйте формулу ККД).
Особливо слід звернути увагу на вивчення наступних схем випрямлячів: однопівперіодної та двопівперіодної із середньою (нульовою) точкою, однофазної та трифазної мостових.
Під час вивчення вказаних схем випрямлячів рекомендується в конспекті накреслити з дотриманням вимог держаних стандартів ЄСКД кожну схему та зрозуміти її принцип дії та переваги.
Потрібно зрозуміти призначення й типові схеми зглажувальних фільтрів і стабілізаторів напруги. Треба вміти визначати коефіцієнт пульсації випрямленого струму і напруги на виході випрямлячів без фільтрів, а також, користуючись розрахунковими формулами, коефіцієнт згладжування пульсацій кожним фільтром.
Розглянути принцип дії та область застосування керованих випрямлячів на тиристорах. Зрозуміти методи і системи керування застосовуваних керованих випрямлячів.
Для підсилення слабких електричних сигналів до необхідної потужності в електронних пристроях різного призначення широко застосовуються підсилювачі різних типів.
Підсилювачі класифікують, наприклад, за такими ознаками:
І) за місцем вмикання навантаження: з колекторним (анодним, стоковим) та з емітерним (катодним, стоковим навантаженням) навантаженням;
2) за кількістю каскадів: одно- і багатокаскадні;
3) за видом зв’язку між каскадами: з резистивно-ємнісним, з індуктивно-ємнісним, з трансформаторним, з безпосередньо-гальванічним зв’язком тощо;
4) за видом вхідних сигналів: аперіодичні сигнали синусоїдальної і релаксаційної, несинусоїдальної (імпульсної) форм;
5) за діапазоном частот: низько- і високочастотні, ультракороткохвильові, надвисокочастотні та ін.;
6) за призначенням: підсилювачі напруги, струму та потужності;
7) за режимами роботи: підсилення в класах А, В, С, АВІ, АВ2, у ключовому режимі класу Д;
9) за типом активних підсилювачів елементів - транзисторні, лампові, інтегральні, мікромініатюрні та ін.
Важливо знати схеми та розуміти принцип дії однотактних і двотактних каскадів підсилення потужності /транзисторні та лампові варіанти/, розуміти, для чого застосовується вихідний трансформатор і за якою формулою визначається його коефіцієнт трансформації з урахуванням зведеного опору навантаження в первинній обмотці трансформатора. Знати, як розраховується оптимальна величина зведеного навантаження за різними опорами активних елементів.
Користуючись схемами та діаграмами напруг і струмів, які є в усіх навчальних посібниках, треба зрозуміти принцип дії релаксаційних генераторів та інших пристроїв, формуючих електричні імпульси. Треба мати на увазі, що ці функціональні вузли (генератори пилковидної напруги, діодні обмежувачі тощо) широко застосовуються в ЕОМ, АСУ, а також в інших системах та пристроях автоматики.
Важливе значення в ЕОМ та інших автоматичних пристроях дискретної дії мають елементи, що виконують логічні операції: ТАК – логічне повторення; НІ (NOT) – логічне заперечення, або інверсія; АБО (OR) – логічне додавання та АБО-НІ (NOR); І (AND) – логічне множення та І-НІ (NAND), виключне АБО (XOR)/ тощо. Треба ознайомитися з аналогічними функціональними вузлами на інтегральних мікросхемах з диференціальними та інтегруючими колами.
Необхідно навчитись розрізняти схожість і різницю між терморезисторами та фоторезисторами і розуміти можливість широкого їх застосування у контрольно-вимірювальній апаратурі, в системах автоматичного регулювання температури різних об'єктів, освітлення тощо.
Нині в системах візуального зображення різної інформації дедалі більше застосовуються світлодіоди, світлодіоди-фоторезистори та ін. Вони забезпечують безконтактну розв’язку керуючого та силового кола в електронних пристроях.
Запитання й завдання для самоперевірки
Які призначення, класифікація та область застосування випрямлячів?
Накресліть схеми випрямлячів без фільтра, а також із згладжу-вальними фільтрами: однофазну мостову та двонапівпровідникову з середньою точкою, трифазну мостову.
Поясніть принцип дії випрямлячів, використовуючи діаграми струмів і напруг.
Наведіть порівнювальну таблицю формул для приблизного розрахунку параметрів різних схем випрямлячів. Укажіть, за якими параметрами вибираються вентилі.
Наведіть схему, поясніть принцип дії та область застосування керуючих випрямлячів на тиристорах.
Для чого застосовуються згладжувальні фільтри на виході випрямлячів? Накресліть схеми та поясніть процес згладжування пульсацій випрямленого струму і напруг. Наведіть формули для розрахунку коефіцієнтів згладжування пульсацій для кожного фільтра.
Покажіть хід зовнішньої характеристики випрямлячів без фільтра та з фазовими фільтрами.
Накресліть схему трифазного випрямляча за мостовою схемою, поясніть її перевагу та області застосування.
Вкажіть області застосування підсилювачів та ознаки, за якими вони класифікуються.
Поясніть подібність між статичними вольт-амперними характеристиками і основними параметрами підсилювачів ламп та польових транзисторів.
Зобразіть три схеми вмикання підсилювальних каскадів на біполярних транзисторах. Поясніть принцип дії та наведіть основні розрахункові параметри цих каскадів.
Накресліть схему двохкаскадного транзисторного підсилювача з С-зв’язком між каскадами. Вкажіть на частотній характеристиці смугу пропускання першого каскаду, поясніть, які елементи схеми знижують коефіцієнт підсилення в області нижніх та верхніх частот.
Поясніть принцип дії від’ємного зворотного зв’язку та призначення його в підсилювальних пристроях.
Що таке коефіцієнт передачі напруги зворотним зв’язком? Яка формула коефіцієнта підсилення підсилювача, охопленого від’ємними зворотними зв'язками?
Наведіть типову схему тригера на транзисторі /на інтегральній мікросхемі/, діаграму вхідних та вихідних імпульсів напруги.
Накресліть схему і поясніть принцип дії електронного реле із затримкою часу.
Поясніть і покажіть схематично принципову відміну фотодіодів від фоторезисторів, світлодіодів від фотодіодів.
Наведіть короткі відомості про будову та область застосування світлодіодів та оптронів.
Накресліть схему та поясніть принцип дії фотоелектричного світильника, що застосовується на конвеєрі для автоматичного обліку деталей.
Накресліть схему фотореле, що застосовується для автоматичного виробничого та вуличного освітлення.
Які застосовуються види інтегральних схем? Елементи їхньої конструкції, класифікація й маркування.
Література: 5, с. 19-43, 63-80, 177-215, 129-177, 43-53