Тема 2 Электрические цепи постоянного тока

Тема 1 Основные понятия об электрических цепях

 

Электрическая цепь - это совокупность устройств, предназначенных для получения, передачи, и использования электрической энергии, процессы в которой описываются понятиями ЭДС, напряжения и тока.

К основным элементам электрической цепи относятся: источники электроэнергии, потребители (приемники) электроэнергии, линии электропередач и соединительные провода.

В замкнутой электрической цепи под действием ЭДС источника возникает электрический ток, а на участках цепи появляется разность потенциалов, т. е. напряжение.

Электрический ток - есть упорядоченное, направленное движение свободных носителей зарядов. Сила тока – это заряд прошедший через поперечное сечение проводника за единицу времени:

                                   I = Q/ t,.                                          

Электрический ток оказывает действия: тепловое, магнитное, химическое.

Напряжение или разность потенциалов на участке цепи – это работа, которую совершает источник по перемещению положительного заряда в 1 Кл на данном участке цепи.

Направления ЭДС, тока и напряжения в источнике и потребителе указаны на рисунке 1.1.

             Источник ЭДС Участок электрической цепи (потребитель)

Рисунок 1.1-Направления ЭДС, тока и напряжения в источнике и потребителе.

 

Участок электрической цепи, по которому протекает один и тот же ток, называется ветвью электрической цепи.

Место соединения трех и более ветвей называется узлом электрической цепи.

Любой замкнутый путь, состоящий из одной или нескольких ветвей, называется контуром электрической цепи.

 

Тема 2 Электрические цепи постоянного тока

 

Электрическое сопротивление – это свойство проводника препятствовать прохождению электрического тока. Сопротивление обозначается буквой R и измеряется в омах (Ом).

Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью

                                        G = 1/ R (См).                                      

Сопротивление проводника зависит от его размеров и материала проводника. В простейшем случае проводника длиной ℓ и сечением S его сопротивление определяется выражением:                  

                                             R =ρℓ/ S,                                        

где ρ – удельное сопротивление проводника, Ом·мм²/м.

Резистор – это пассивный элемент, характеризующийся резистивным сопротивлением. Условные графические обозначения постоянного и переменных резисторов приведены на рисунке 2.1.

Рис. 2.1-Условные графические обозначения постоянного и переменных резисторов.

Законы Кирхгофа

1 закон Кирхгофа. Для любого узла электрической цепи алгебраическая сумма токов равна нулю ∑ I =0 или сумма токов, входящих в узел, равна сумме токов, выходящих из узла. При этом в алгебраической сумме токи, направленные к узлу, берутся со знаком плюс, а токи, направленные от узла – со знаком минус. Например, для узла на рисунке 2.4,а уравнение Кирхгофа

                      -I₁-I₂+I₃-I₄+I₅ = 0; I₃ +I₅ = I₁+I₂ +I₄                          

              а)                                               б)

Рисунок 2.4- Узел (а) и контур (б) электрической цепи для пояснения применения законов Кирхгофа.

2 закон Кирхгофа. Для любого контура электрической цепи алгебраическая сумма ЭДС контура равна алгебраической сумме напряжений на всех сопротивлениях этого контура ∑Е=∑ U.

Для составления уравнения по второму закону Кирхгофа выбирается обход контура. Если направления ЭДС и токов в контуре совпадает с направлением обхода, то эти ЭДС и соответствующие напряжения берутся со знаком плюс, в противном случае – со знаком минус. Например, для контура на рисунке 2.4,б уравнение Кирхгофа

                              E ₁ - E ₂ = IR + Ir ₁ + Ir ₂                                         

 

Мощности трехфазной цепи

Активная мощность трехфазной цепи равна сумме активных мощностей отдельных фаз:  Р = Р_А+Р_В+Р_С.                                         

Реактивная мощность трехфазной цепи равна алгебраической сумме реактивных мощностей отдельных фаз: Q = Q_А+ Q_В+ Q_С.                                        

Полная мощность трехфазной цепи определяется по формуле

                                                                                

При симметричной нагрузке трехфазной цепи

активная мощность     Р = 3 U_ф I_ф cosφ_ф = √3 U_л I_л cosφ_ф.      

реактивная мощность Q = 3 U_ф I_ф sinφ_ф = √3 U_л I_л sinφ_ф.             

полная мощность       S = 3 U _ф I _ф = √3 U _л I _л.                        

 

 

Тема 4 Трансформаторы

Трансформатором называют электромагнитное статическое устройство, служащее для преобразования (трансформации) переменных напряжений и токов одних вели­чин в другие при неизменной частоте.

Конструктивно трансформатор состоит из обмоток и сердеч­ника (магнитопровода), на котором располагаются обмотки. Обмотки называются первичными и вторичными. Об­мотки электрически не связаны.

Первичная обмотка трансформатора подключается к источнику электрической энергии перемен­ного тока, а вторичная — к приемнику электрической энергии (нагрузке трансформатора Z_H). Действие трансформатора основано на явлении электромагнит­ной индукции.

Трансформатор называется понижающим, если число витков на вторичной обмотке w₂ меньше, чем число витков на первичной об­мотке w₁. В понижающем трансформаторе напряжение вторичной обмотки U₂ меньше чем напряжение первичной обмотки U₁.

Трансформатор называется повышающим, если число витков на вторичной обмотке w₂ больше, чем число витков на первичной об­мотке w₁. В повышающем трансформаторе напряжение вторичной обмотки U₂ больше чем напряжение первичной обмотки U₁.

В повышающем трансформаторе увеличение напряжения во вторичной обмотке происходит за счет уменьше­ния силы тока в ней, а в понижающем трансформаторе уменьше­ние напряжения происходит за счет увеличения силы тока вторич­ной обмотки.

Отношение напряжения на зажимах первичной обмотки к напряжению на вторичной об­мотке называется коэффициентом трансформации К:

К = U₁ / U₂ = w₁ / w₂.

Различают три режима работы трансформатора:

холостого хода, когда вторичная обмотка разомкнута и ток I₂= 0;

короткого замыкания, когда вторичная обмотка замкнута накоротко и U₂=0. Режим КЗ является аварийным, так как токи в обмотках будут во много раз больше номинальных;

рабочий режим под нагрузкой.

Коэффициент полезного действия трансфор­матора (к. п. д.) - это отношение отдаваемой актив­ной мощности к потребляемой:

η=(P₂ / P₁)· 100%,

где Р₁– мощность первичной обмотки, Р₂ - мощ­ность вторичной обмотки. Преобразование электричес­кой энергии в трансформаторе сопровождается по­терями.

 

При этом к.п.д. трансформатора может быть представлен в следую­щем виде:

η=(P₂ / (P₂+Р_ст+Р_обм))· 100%,

где Р_ст - потери в стали (в сердечнике), Р_обм - поте­ри в обмотках (в меди). Потери в стали и потери в обмотках измеряют в опытах холостого хода и коротко­го замыкания соответственно.

Опыт холостого хода трансформатора проводится при номинальном первичном напряжении и разомкнутой вторичной обмотке, в этом опыте определяются потери мощности в стали Р_СТ=Р_Х.

Опыт короткого замыкания проводится при пониженном первичном напряжении, при котором токи трансформатора равны номинальным, и замкнутой накоротко вторичной обмотке, в этом опыте определяются потери мощности в обмотках при номинальных токах Р_ОБМ = Р_К.

Номинальными параметрами трансформатора называют параметры, указанные заводом-изготовителем. В частности, приводятся номиналь­ные напряжения обмоток U_1ном, U_2ном; номинальная полная мощность S_ном.

Условное обозначение транс­форматора показано на рис.

 

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор с одним p-n переходом и двумя выводами (анод и катод). Условные изображения основных видов диодов в электронных схемах приведены на рисунке 13.3: а — выпрямительные, импульсные, СВЧ; б — стабилитроны; в — туннельные; г — варикапы.

Рисунок 13.3 - Условные графические изображения полупроводниковых диодов

Выпрямительный полупроводниковый диод исполь­зуется для выпрямления переменного тока. Основным свойством выпрямительного диода явля­ется способность пропускать ток пре­имущественно в одном (прямом) направлении.

Чтобы открыть диод, нужно подать прямое напряжение: «+» на анод, «-» на катод. Чтобы закрыть диод, нужно подать обратное напряжение: «+» на катод, «-» на анод.

Выпрямительные диоды по материалу могут быть германиевыми и кремниевыми, по допустимому значению прямого тока малой (I _пр ≤0,3 А), средней (0,3 А< I _пр ≤10 А) и большой (I _пр >10 А) мощности.

Максимальная рабочая температура германиевых диодов до +80⁰С, а у кремниевых – до +150⁰С.

Электриче­ские параметры выпрямительного диода: максимально допустимый прямой ток I _{пр max}; макси­мально допустимое обратное напряжение U_{обр max}.

Полупроводниковый стабилитрон — кремниевый полупроводни­ковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения и работающий в области электрического пробоя.

Основные параметры стабилитрона: напряжение на участке стабилизации U _ст; минимальный ток стабилизации I _{ст. min}; максимальный ток стабилизации I _{ст, max}.

 

Биполярные транзисторы

Транзисторы – это полупроводниковые приборы с тремя выводами, и предназначены для усиления и генерации электрических сигналов.

На рисунке13.6 показаны структура биполярного транзистора и его обозначение на схемах.

Рисунок 13.6 - Структура биполярного транзистора и его обозначение на схемах: а) р-п-р типа; б) п-р-п типа

Биполярный транзистор состоит из двух р-п переходов. У транзистора имеются три вывода (электрода): эмиттер (э), коллектор (к) и база (б). Между эмиттером и базой возникает эмиттерный переход (ЭП), а между коллектором и базой – коллекторный переход (КП).

В усилительном режиме эмиттерный переход должен быть открыт, коллекторный - закрыт.

Различают три схемы включения транзистора (рисунок 13.8): а) с общей базой; б) с общим эмиттером; в) с общим коллектором.

Рисунок13.8 -  Схемы включения транзистора: а) с общей базой; б) с общим эмиттером; в) с общим коллектором

В схеме с общим эмиттером происходит усиление как по току, так и по напряжению. Поэтому такой усилитель используется как усилитель мощности.

В схеме с общим коллектором (эмиттерный повторитель) происходит усиление по току, усиление по напряжению отсутствует.

В схеме с общей базой происходит усиление по напряжению, усиление по току отсутствует.

Наибольшее распространение получила схема с общим эмиттером, обладающая наибольшими коэффициентами усиления.

 

Тема 1 Основные понятия об электрических цепях

 

Электрическая цепь - это совокупность устройств, предназначенных для получения, передачи, и использования электрической энергии, процессы в которой описываются понятиями ЭДС, напряжения и тока.

К основным элементам электрической цепи относятся: источники электроэнергии, потребители (приемники) электроэнергии, линии электропередач и соединительные провода.

В замкнутой электрической цепи под действием ЭДС источника возникает электрический ток, а на участках цепи появляется разность потенциалов, т. е. напряжение.

Электрический ток - есть упорядоченное, направленное движение свободных носителей зарядов. Сила тока – это заряд прошедший через поперечное сечение проводника за единицу времени:

                                   I = Q/ t,.                                          

Электрический ток оказывает действия: тепловое, магнитное, химическое.

Напряжение или разность потенциалов на участке цепи – это работа, которую совершает источник по перемещению положительного заряда в 1 Кл на данном участке цепи.

Направления ЭДС, тока и напряжения в источнике и потребителе указаны на рисунке 1.1.

             Источник ЭДС Участок электрической цепи (потребитель)

Рисунок 1.1-Направления ЭДС, тока и напряжения в источнике и потребителе.

 

Участок электрической цепи, по которому протекает один и тот же ток, называется ветвью электрической цепи.

Место соединения трех и более ветвей называется узлом электрической цепи.

Любой замкнутый путь, состоящий из одной или нескольких ветвей, называется контуром электрической цепи.

 

Тема 2 Электрические цепи постоянного тока

 

Электрическое сопротивление – это свойство проводника препятствовать прохождению электрического тока. Сопротивление обозначается буквой R и измеряется в омах (Ом).

Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью

                                        G = 1/ R (См).                                      

Сопротивление проводника зависит от его размеров и материала проводника. В простейшем случае проводника длиной ℓ и сечением S его сопротивление определяется выражением:                  

                                             R =ρℓ/ S,                                        

где ρ – удельное сопротивление проводника, Ом·мм²/м.

Резистор – это пассивный элемент, характеризующийся резистивным сопротивлением. Условные графические обозначения постоянного и переменных резисторов приведены на рисунке 2.1.

Рис. 2.1-Условные графические обозначения постоянного и переменных резисторов.