4. Выпрямители.

Источники вторичного электропитания являются связующим звеном между радиоэлектронной аппарату­рой и другими потребителями и источниками первичной электроэнергии (линиями электроснабжения). Как пра­вило, они содержат в своей структуре выпрямитель, пи­тание на который поступает через трансформатор, пре­образующий напряжение переменного тока. Применяются три основные схемы выпрямителей: однополупериодная, двухполупериодная со средней точкой и мостовая. При однополупериодном выпрямлении диод не пропускает вторую часть периода переменного тока, и выпрямленный ток имеет ярко выраженную пульсацию. При двухполупериодном выпрямлении первый полупериод пропускается одной частью схемы, а второй другой. Поэтому на нагрузке ток идёт оба полупериода. Но всё же пульсация есть. Для снижения пульсаций применяются сглаживающие фильтры: ёмкостные (С-фильтр), резистивно-ёмкостные (RC-фильтр) и индуктивно-ёмкостные (LC-фильтр).

Н аиболее простым фильтром является ёмкость, включаемая параллельно нагрузке. Конденсатор заряжается всё время, пока напряжение на выходе выпрямителя больше напряжения на нагрузке. Когда напряжение на выходе выпрямителя начинает уменьшаться, конденсатор разряжается, отдавая накопленную энергию в нагрузку. Недостатком этого фильтра является большая зависимость амплитуды пульсаций от величины тока нагрузки. При большом токе конденсатор успевает разрядиться до более низкого напряжения.

Недостатком RC-фильтра является то, что на активном сопротивлении теряется часть энергии.

Индуктивно-ёмкостные фильтры бывают Г-образные и П-образные.

Вопросы:

1. Какие три основные схемы выпрямителей вы знаете?

2. Начертите схемы выпрямителей.

3. Чем отличается однополупериодное выпрямление от двухполупериоднеого?

4. Что применяется для сглаживания пульсаций?

5. Какие сглаживающие фильтры вы знаете?

6. Начертите схемы сглаживающих фильтров.

5. Некоторые сведния по электротехнике.

Все электротехнические материалы делят на три группы по их главному свойству — электропроводности, т. е. по способности материалов проводить электрический ток.

Материалы, из которых изготовляют токоведущие части электрических машин и аппаратов, должны хорошо проводить электрический ток, т. е. обладать малым электрическим сопротивлением. Эту группу электротехнических материалов составляют проводниковые материалы, к которым относятся чистые металлы и сплавы металлов.

Другую группу составляют электроизоляционные материалы (диэлектрики). Они обладают большим электрическим сопротивлением, поэтому с помощью диэлектриков изолируют токоведущие части друг от друга и от заземленных частей электрооборудования. В конденсаторах электроизоляционные материалы используют для создания электрической емкости.

И третью группу входят полупроводниковые материалы (полупроводники). Эта группа материалов по своей способности проводить, электрический ток занимает промежуточное место между проводниками и диэлектриками, их свойства сильно зависят от примесей, температуры, освещённости и т.д. Полупроводники применяют для изготовления выпрямителей, усилителей, фотоэлементов и других полупроводниковых приборов, широко используемых в различных областях электротехники.

Приведенное разделение электротехнических материалов на три группы было произведено, как уже было сказано, по их способности проводить электрический ток, однако это свойство электротехнических материалов не является единственным. Среди электротехнических материалов есть группа материалов, которые обладают способностью намагничиваться. Это магнитные материалы, применяемые для создания среды с малым магнитным сопротивлением т. е. для концентрации магнитной энергии. Из магнитных материалов изготовляют магнитопроводы (сердечники) для электрических машин, аппаратов и приборов. По отношению к электрическому току большинство магнитных материалов является проводниками (чистое железо и сплавы на основе железа), но некоторые из магнитных материалов — ферриты— относятся к полупроводникам. По сравнению с металлическими магнитными материалами ферриты обладают большим электрическим сопротивлением. Это обеспечивает им малые потери на вихревые токи при работе в переменном магнитном поле.

Приведенное деление электротехнических материалов не исчерпывает всех различий между ними. Внутри каждой из этих основных групп можно провести еще более подробную классификацию. Так, группу проводниковых материалов обычно делят на материалы с малым удельным сопротивлением и материалы с большим удельным сопротивлением. Электроизоляционные материалы делят на газообразные, жидкие и твердые. Кроме того, различают электроизоляционные материалы органические (смолы, лаки, пластмассы и др.) и неорганические (слюда, керамика и др.). Среди магнитных материалов различают магнитно-мягкие, т. е. легко намагничивающиеся материалы, и магнитно-твердые, которые намагничиваются с трудом, но способны длительное время сохранять сообщенную им магнитную энергию.

ПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ С МАЛЫМ УДЕЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ

Проводниковая медь и ее свойства

Медь является одним из главных проводниковых материалов благодаря большой проводимости, механической прочности и стойкости к атмосферной коррозии. По электропроводности медь стоит на втором месте (после серебра).

Проводниковая медь получается из слитков меди путем очистки ее от примесей в электролитической ванне с помощью постоянного тока. Кроме высокой проводимости, медь обладает хорошей пластичностью, поэтому из нее изготовляют волочением проволоку диаметром до 0,01 Мм, а при прокатке получают ленту толщиной до 0,1 мм и медную фольгу толщиной 0,01 мм.

В нормальной атмосфере проводниковая медь устойчива к коррозии. Медные провода на воздухе медленно окисляются, покрываясь тонким слоем окиси меди (CuО). Образовавшаяся пленка окисла препятствует дальнейшему окислению меди. Коррозию меди вызывают: сероводород (H₂S), аммиак (NH₃), окислы азота (NO), пары азотной кислоты и некоторые другие реагенты.

П роводниковые изделия из твердой меди МТ применяют, как правило, неизолированными (голыми). Это провода для воздушных линий, шины для электрических аппаратов и коллекторов электрических машин. От этих проводниковых изделий требуется повышенная механическая прочность, твердость и сопротивление истиранию.

Медь — весьма ценный материал, который следует расходовать экономно, и там, где это возможно, медь необходимо заменять менее дефицитными материалами — проводниковым алюминием или железом.

Проводниковые железо и сталь

В природе железо находится в различных соединениях с кислородом (FeO; Fe₂0₃ и др.). Выделить химически чистое железо из этих соединений чрезвычайно трудно. По электрическим и магнитным свойствам к химически чистому железу приближается железо, очищенное от примесей электролитическим способом (электролитическое железо).

Рисунок 5 Шины электротехнические

Основными примесями в железе являются: кислород (О₂), азот (N₂); углерод (С), сера (S), фосфор (Р), кремний (Si), марганец (Mn) и некоторые другие. Большинство примесей попадают в железо из руды и топлива. Кремний и марганец специально вводятся в железо в качестве раскислителей. Они легко соединяются с кислородом и образуют окислы, которые в расплавленном железе (стали) всплывают на поверхность в виде шлака и удаляются. Этим улучшают механические свойства сталей, но, оставаясь в небольшом количестве в стали, они снижают ее электропроводность.

Примесью, резко снижающей электропроводность железа, является углерод. Сплавы железа с углеродом называются сталями. Кроме углерода, в сталях содержатся другие элементы, вводимые специально с целью получения тех или иных свойств (легирующие элементы).

Железо и сталь — наиболее дешевые и доступные проводниковые материалы, обладающие высокой механической прочностью при растяжении, но их применение ограничивается следующими недостатками. Железо и сталь имеют низкую коррозионную стойкость, т. е. они легко окисляются на воздухе — ржавеют. Кроме того, обладают повышенным удельным сопротивлением (ρ = =0,13 + 0,14 ом-мм²/м) по сравнению с медью и алюминием. Для защиты от атмосферной коррозии стальные провода покрывают тонким слоем меди или цинка (0,016—0,020 мм).

Проводниковые сплавы высокого сопротивления на основе меди и никеля

Проводниковыми сплавами, применяемыми для изготовления точных (образцовых) сопротивлений, являются манганины. Они состоят из меди (Cu), марганца (Mn) и никеля (Ni). Наиболее распространенным является манганин состава: Cu 86%; Mn 12%; Ni 2%. Вообще сплавы типа манганина могут содержать: Cu 84— 86%; Mn 11—13%; Ni 2—3%. Для стабилизации свойств в манганины вводят: серебро (0,1%), железо (0,2 + 0,5%) и алюминий (0,2 + 0,5%). Цвет манганинов светло-оранжевый. Среднее значение плотности 8,4 г/см3, температура плавления 960°С или несколько выше.

И з манганинов изготовляют мягкие и твердые сорта проволоки. Кроме голой манганиновой проволоки, мягкой и твердой, наша промышленность выпускает манганиновые обмоточные провода с эмалевой высокопрочной изоляцией.

Рисунок 6 нагревательные элементы из нихрома

К онстантин также относится к медно-никелевым сплавам, но в отличие от манганина содержит значительно больше никеля. В состав сплавов типа константана входят: медь 60—65%, никель 41— 39% и марганец 1—2%. Характерной особенностью константана является очень незначительная величина его температурного коэффициента сопротивления. Практически он принимается равным нулю (а = 0). Поэтому электрическое сопротивление константана не изменяется с изменением температуры, что является достоинством сплава. Из константана изготовляют мягкие и твердые сорта проволоки диаметром от 0,02 до 5,0 мм. Константановая проволока применяется для изготовления реостатов и термопар. В термопарах константановая проволока чаще всего используется в паре с медной. Спай константановой и медной проволоки при нагреве развивает значительную по величине термо- э. д. с., что дает возможность измерять температуры до 300° С. При температурах выше 300° С начинается сильное окисление меди. Заметное окисление голой константановой проволоки начинается при температурах от 500° С и выше.

Для нагревательных элементов, применяемых в электронагревательных приборах и печах сопротивления, необходимы проволока и ленты, могущие длительно работать при температурах от 800 до 1200°С. Перечисленным требованиям удовлетворяют сплавы двух типов: двойные сплавы на основе никеля (Ni) и хрома (Сг), называемые нихромами, и тройные сплавы на основе никеля, хрома и железа, называемые ферронихромами. Кроме того, находят применение тройные сплавы железа, хрома и алюминия, называемые фехралями и хромалями. Эти сплавы отличаются различным содержанием составляющих их компонентов и соответственно разной жаростойкостью и электрическими характеристиками. Железо, вводимое в сплавы типа фехраль удешевляет их, но после нескольких нагревов у этих сплавов наблюдается резкое возрастание хрупкости.

МАГНИТНО-МЯГКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Технически чистое железо и электротехническая сталь

Н аиболее широко применяемыми магнитно-мягкими материалами являются технически чистое железо, листовая электротехническая сталь, сплавы железа и никеля с различным содержанием никеля, получившие название пермаллоев, и альсиферы — сплавы железа, кремния и алюминия. Все эти материалы обладают высокой магнитной проницаемостью и малыми потерями на перемагничивание.

МАГНИТНО-ТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Магнитно-твердые материалы используются для изготовления постоянных магнитов, применяемых в различных электротехнических устройствах, где требуется наличие постоянного магнитного поля.

Магнитно-твердые сплавы, из которых изготовляют постоянные магниты, носят название альни, альниси, альнико и магнико. Альни — тройной сплав, состоящий из алюминия, никеля и железа.

ГАЗООБРАЗНЫЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

К газообразным диэлектрикам относятся все газы, в том числе воздух, представляющий собой смесь ряда газов и паров воды. Многие газы (воздух, азот и др.) используют в качестве диэлектриков в газонаполненных конденсаторах, воздушных выключателях высокого напряжения и в других электрических устройствах. Воздух окружает все электрические установки и как диэлектрик во многом определяет надежность их работы. Провода линий электропередачи высокого напряжения, закрепленные на мачтах с помощью фарфоровых или стеклянных изоляторов, на всем протяжении изолированы друг от друга только слоем воздуха Элегаз—электрический газ, представляет собой соединение фтора с серой (шестифтористая сера); применяется в некоторых электрических аппаратах.

ЖИДКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

В качестве жидких электроизоляционных материалов в электротехнических устройствах применяют электроизоляционные минеральные масла и синтетические жидкие диэлектрики: совол. Наибольшее применение имеют минеральные нефтяные масла. По характеру использования в качестве жидких диэлектриков нефтяные масла могут быть разделены на три группы:

1. Масла для силовых трансформаторов и высоковольтных выключателей;

2. Кабельные масла, используемые для пропитки бумажной изоляции высоковольтных кабелей;

3. Конденсаторные масла, применяемые для пропитки бумажной изоляции конденсаторов. Для этой же цели в бумажно-масляных конденсаторах используют искусственную жидкость — совол.

ТВЕРДЫЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ ДИЭЛЕКТРИКИ

Высокополимерные вещества могут быть природными (янтарь, натуральный каучук и др.) и синтетическими (полистирол, поливинилхлорид и многие другие). Большая часть полимеров является аморфными веществами, и их поэтому называют смолами, некоторые из полимеров (фторопласт-4 и др.) имеют кристаллическое строение и не являются смолами.

К полимеризационным диэлектрикам, широко применяемым в электротехнике, относятся полистирол, полиэтилен, поливинилхлорид и другие. Из природных смол наибольшее применение в электротехнике получили канифоль, шеллак и битумы. Канифоль представляет собой хрупкое стеклообразное вещество в виде кусков неправильной формы. Канифоль получают в результате термической обработки живицы — сока хвойных деревьев. Шеллак образуется в результате жизнедеятельности особого вида насекомых. Эти насекомые, перерабатывая сок некоторых тропических деревьев, выделяют наплывы сырой смолы. Битумы представляют собой твердые или жидкие высоковязкие вещества черного цвета. Все битумы размягчаются при нагревании, т. е. являются термопластичными материалами. Различают битумы нефтяные (искусственные), получаемые в результате перегонки нефти, и природные (ископаемые) битумы, называемые асфальтами и асфальтитами.

Другие электроизоляционные материалы

Волокнистые материалы состоят из волокон: природных, искусственных или синтетических. К природным относятся асбестовые, хлопковые, льняные, натуральный шелк и другие волокна растительного происхождения, например волокна различных деревьев (сосна, ель), идущие на изготовление бумаги

Р езины широко применяют в производстве электрических проводов и кабелей, где они выполняют роль электроизоляционных материалов (электроизоляционные резины) или защитных покровов (шланговые резины).

Электрокерамические материалы представляют собой твердые камнеподобные вещества, которые можно обрабатывать только абразивами (карборунд и др.). Все электрокерамические материалы по их назначению можно разделить на три группы: изоляторная керамика, конденсаторная керамика, сегнетоэлектрическая керамика.

Рисунок 7 Патрон Е27. Электрофарфор Т210

К изоляторной керамике относятся электрофарфор. Из этого материала изготовляют изоляторы низкого и высокого напряжения, а также различные электроустановочные изделия (ролики, основания предохранителей, патронов и др.). Во вторую группу входят керамические материалы, обладающие большими значениями диэлектрической проницаемости, поэтому из них изготовляют керамические конденсаторы различных конструкций.

Основные полупроводниковые материалы

Полупроводники составляют обширную область материалов, отличающихся друг от друга большим многообразием электрических и физических свойств, а также большим многообразием химического состава, что и определяет различные назначения при их техническом использовании. По химической природе современные полупроводниковые материалы можно разделить на следующие четыре главные группы:

1. Кристаллические полупроводниковые материалы, построенные из атомов или молекул одного элемента. Такими материалами являются широко используемые в данное время германий (Ge), кремний (Si) селен (Se) бор (В), карбид кремния (SiC) и др.

2. Окисные кристаллические полупроводниковые материалы, т. е. материалы из окислов металлов. Главные из них: закись меди (Cu2O), окись цинка (ZnO), окись кадмия (CdO), двуокись титана (TiО2), окись никеля (NiO) и др. В эту же группу входят материалы, изготовляемые на основе титаната бария, стронция, цинка, и другие неорганические соединения с различными малыми добавками.

3. К ристаллические полупроводниковые материалы на основе соединений атомов третьей и пятой групп системы элементов Менделеева, которые можно обозначить общей формулой A₃B₅, где буквы означают атомы, а римские цифры — номера групп. Примерами таких материалов являются антимониды индия (ZnSb), галлия (GaSb) и алюминия (AlSb), т. е. соединения сурьмы (Sb) с индием (In), галлием (Ga) и алюминием (Al). Они получили наименование интерметаллических соединений.

4. Кристаллические полупроводниковые материалы на основе соединений серы (S), селена (Se) и теллура (Те) с одной стороны и меди (Cu), кадмия (Cd) и свинца (РЬ) с другой. Такие соединения называются соответственно: сульфидами, селенидами и теллуридами.

Электроугольные материалы и изделия.

Рисунок 8 Щётки для электрических машин

К электроугольным изделиям относятся щетки для электрических машин, электроды для электрических печей, контактные детали, высокоомные угольные сопротивления и некоторые другие изделия.

Электроугольные изделия изготовляют из смеси углеродистых материалов. К углеродистым материалам относятся; природный графит, нефтяной и пековый кокс, сажа, антрацит и древесный уголь.

Припои.

В электрических аппаратах, машинах и электротехнических установках возникает необходимость соединения различных металлических токоведущих частей и проводников. Такие соединения можно осуществлять с помощью зажимных устройств, но в этом случае соединения не являются надежными и могут быть легко нарушены. Характерным для них является то, что места соединения обладают более высоким электрическим сопротивлением, чем сами соединяемые металлические части. Такие зажимные устройства встречаются в лабораторных установках, электрических аппаратах и др. Обычно же соединение проводниковых металлических частей осуществляется пайкой или сваркой. Пайка — это процесс соединения при нагревании металлов сплавами. Эти сплавы получили название припои. Температура плавления припоев должна быть ниже температуры плавления соединяемых металлов. Расплавленный припой заполняет пространство между соединяемыми металлами, которые сами при этом не расплавляются, но частично растворяются. Прочность соединения при пайке обусловливается взаимным растворением припоя и соединяемых металлов.

В зависимости от величины температуры плавления припоев они разделяются на мягкие и твердые. Мягкие припои имеют температуру плавления до 450° С, а у твердых припоев — эта температура выше 450° С. Для изготовления припоев применяют сплавы различных цветных металлов: олова, свинца и др.

Мягкие припои обладают меньшей механической прочностью, чем твердые.

ПОС- 90 – Припой оловянно-свинцовый 90% - олово.

В качестве твердых припоев применяются сплавы меди и цинка; меди, серебра и цинка; алюминия, меди и кремния и др.

ПМЦ -42 – Припой медно-цинковый медь 40-45%

Припои изготовляют в виде слитков, стержней, прутков и трубок.

Вопросы:

1. По какой способности делятся материалы в электротехнике?

2. Какие материалы относятся к проводниковым?

3. Что изготовляют из проводниковых материалов?

4. Какие материалы составляют группу электроизоляционных материалов?

5. Что изготовляют из электроизоляционных материалов?

6. Какие материалы относятся к полупроводниковым?

7. Где применяются полупроводниковые материалы?

8. Назовите материалы с малым удельным сопротивлением.

9. Назовите материалы высокого сопротивления.

10. В каких изделиях применяются манганины?

11. Где применяется константан?

12. Какие сплавы применяются для изготовления нагревательных элементов?

13. Какие материалы называются магнито-мягкими?

14. Какие сплавы относятся к магнито-мягким?

15. Какие материалы называются магнито-твёрдыми?

16. Какие сплавы относятся к магнито-твёрдым?

17. Назовите газообразные диэлектрики.

18. На какие три группы делятся жидкие диэлектрики?

19. Какие виды твёрдых электроизоляционных материалов вы знаете?

20. На какие три группы делятся полупроводниковые материалы?

21. Какие изделия выполняются из электроугольных материалов?

22. Для чего применяются припои?

23. Какие припои вы знаете?