Законы электротехники. Электроматериаловедение и электроизмерения

Содержание страницы

Если ток в цепи не меняет свою величину и направление, то такой ток называется постоянным. При постоянном токе за равные промежутки времени через поперечное сечение проводника протекает одинаковое количество зарядов. За единицу тока принимают, такой ток, при котором через поперечное сечение проводника в одну секунду протекает заряд величиной один кулон. Эта единица называется ампер. Ток имеет еще более мелкие единица измерения: 1 ампер (А)=103 миллиампер (мА), 1 мА=103 микроампер (мкА)

1. Электрическое сопротивление

Заряды, перемещаясь по проводнику, взаимодействуют с электрическими полями атомов. В результате часть энергии превращается в тепло, и сила тока будет меньше. Это явление характеризует сопротивление проводника.

За единицу сопротивления принято сопротивление такого проводника, по которому протекает ток в 1 ампер и напряжении на концах его 1 В. Эта единица называется Ом.

Функция резистора в схеме может быть совершенно разной: ограничение тока, деление напряжения, рассеивание мощности, ограничение времени зарядки или разрядки конденсатора в RC-цепочке и т. д. Так или иначе, каждая из этих функций резистора осуществима благодаря главному свойству резистора — его активному сопротивлению.

Виды резисторов по мощности

Рисунок 1— Виды резисторов по мощности

Максимальная рассеиваемая резистором мощность.

В первую очередь постоянные резисторы классифицируются по максимальной рассеиваемой компонентом мощности: 0,062 Вт, 0,125 Вт, 0,25

Вт, 0,5 Вт, 1 Вт, 2 Вт, 3 Вт, 4 Вт, 5 Вт, 7 Вт, 10 Вт, 15 Вт, 20 Вт, 25 Вт, 50 Вт, 100 Вт и даже больше, вплоть до 1 кВт (резисторы для особых применений).

Данная классификация не случайна, ведь в зависимости от назначения резистора в схеме и от условий, в которых должен работать резистор, рассеиваемая на нем мощность не должна привести к разрушению самого компонента и компонентов расположенных поблизости, то есть в крайнем случае резистор должен разогреться от прохождения по нему тока, и суметь рассеять тепло.

Например, керамический резистор с цементным заполнением SQP-5 (5 Вт) номиналом 100 Ом уже при 22 В постоянного напряжения, длительно приложенных к его выводам, разогреется более чем до 200°C, и это необходимо учитывать.

Так, лучше выбрать резистор необходимого номинала, допустим на те же 100 Ом, но с запасом по максимальной рассеиваемой мощности, скажем, на 10 Вт, который в условиях нормального охлаждения не разогреется выше 100°C — это будет менее опасно для электронного устройства.

Керамический резистор с цементным заполнением SQP-5,25

Рисунок 2— Керамический резистор с цементным заполнением SQP-5,25

SMD резисторы для поверхностного монтажа

Рисунок 3 — SMD резисторы для поверхностного монтажа

SMD резисторы для поверхностного монтажа с максимальной рассеиваемой мощностью от 0,062 до 1 ватта — также можно встретить сегодня на печатных платах. Такие резисторы так же как и выводные всегда берутся с запасом по мощности. Например в 12 вольтовой схеме для подтягивания потенциала к минусовой шине можно использовать SMD резистор на 100 кОм типоразмера 0402. Или выводной на 0,125 Вт, поскольку рассеиваемая мощность будет в десятки раз дальше от максимально допустимой.

Резисторы для различных целей используют разные. Не желательно, например, проволочный резистор ставить в высокочастотную цепь, а для промышленной частоты 50 Гц или для цепи постоянного напряжения достаточно и проволочного.

Проволочные резисторы изготавливают путем намотки проволоки из манганина, нихрома или константана на керамический или порошковый каркас.

Строение проволочного резистора

Рисунок 4 — Строение проволочного резистора

Высокое удельное сопротивление данных сплавов позволяет получить требуемый номинал резистора, однако несмотря на бифилярную намотку, паразитная индуктивность компонента все равно остается высокой, именно по этой причине проволочные резисторы не подходят для высокочастотных схем.

Непроволочные резисторы изготавливают не из проволоки, а из проводящих пленок и смесей на основе связующего диэлектрика. Так, выделяют тонкослойные (на основе металлов, сплавов, оксидов, металлодиэлектриков, углерода и боруглерода) и композиционные (пленочные с неорганическим диэлектриком, объемные и пленочные с органическим диэлектриком).

Непроволочные резисторы — это зачастую резисторы повышенной точности, которые отличаются высокой стабильностью параметров, способны работать при высоких частотах, в высоковольтных цепях и внутри микросхем.

Резисторы в принципе подразделяются на резисторы общего назначения и специального назначения. Резисторы общего назначения выпускаются номиналами от долей ома до десяти мегаом. Резисторы специального назначения могут быть номиналом от десятков мегаом до единиц тераом, и способны работать под напряжением 600 и более вольт.

Специальные высоковольтные резисторы способны работать в высоковольтных цепях с напряжением в десятки киловольт. Высокочастотные способны работать с частотами до нескольких мегагерц, поскольку обладают исключительно малыми собственными емкостями и индуктивностями.

Прецизионные и сверхпрецизионные отличаются точностью номиналов от 0,001% до 1%.

Номиналы резисторов и их маркировка указаны в таблице 1.

Таблица 1 — Номиналы прецизионных резисторов

Ряд Числовые коэффициенты Отклонения,%
Е6 1,0 1,5 2,2 3,3 4,7 6,8 ± 20
Е12 1,0 1,5 2,2 3,3 4,7 6,8 ± 10
1,2 1,8 2,7 3,9 5,6 8,2
Е24 1,0 1,5 2,2 3,3 4,7 6,8 ± 5
1,1 1,6 2,4 3,6 5,1 7,5
1,2 1,8 2,7 3,9 5,6 8,2
1,3 2,0 3,0 4,3 6,2 9,1

Резисторы выпускаются на различные номиналы, и есть так называемые ряды резисторов, например широко распространенный ряд Е24.

Цветная маркировка резисторов

Рисунок 5 — Цветная маркировка резисторов

Вообще, стандартизированных рядов у резисторов шесть: Е6, Е12, Е24, Е48, Е96 и Е192. Число после буквы «Е» в названии ряда отражает количество значений номиналов на десятичный интервал, и в Е24 этих значений 24.

Маркировка резисторов на платах

Рисунок 6 — Маркировка резисторов на платах

Номинал резистора обозначается числом из ряда, умноженным на 10 в степени n, где n — целое отрицательное или положительное число. Каждый ряд характеризуется своим допустимым отклонением.

Цветовая маркировка выводных резисторов (рисунок 5) в виде четырех или пяти полос давно стала традиционной. Чем больше полос — тем выше точность. На рисунке приведен принцип цветовой маркировки резисторов с четырьмя и пятью полосами.

Резисторы для поверхностного монтажа (SMD — резисторы) с допуском в 2%, 5% и 10% маркируются цифрами. Первые две цифры из трех образуют число, которое необходимо умножить на 10 в степени третьего числа. Для обозначения точки в десятичной дроби, на ее месте ставят букву R. Маркировка 473 обозначает 47 умножить на 10 в степени 3, то есть 47х1000 = 47 кОм.

SMD резисторы начиная с типоразмера 0805, с допуском в 1%, имеют четырехзначную маркировку, где первые три — мантисса (число, которое следует умножить), а четвертая — степень числа 10, на которое следует умножить мантиссу, чтобы получить значение номинала. Так, 4701 обозначает 470х10 = 4,7 кОм. Для обозначения точки в десятичной дроби, на ее место ставят букву R.

Две цифры и одна буква применяются в маркировке SMD резисторов типоразмера 0603. Цифры — это код определения мантиссы, а буквы — код показателя степени числа 10 — второго множителя. 12D обозначает 130х1000 = 130 кОм.

Значения SMD резисторов представлены в таблице 2.

Таблица 2 — Номиналы SMD резисторов

Код Значение Код Значение Код Значение Код Значение
01 100 13 133 25 178 37 237
02 102 14 137 26 182 38 243
03 105 15 140 27 187 39 249
04 107 16 143 28 191 40 255
05 110 17 147 29 196 41 261
06 113 18 150 30 200 42 267
07 115 19 154 31 205 43 274
08 118 20 158 32 210 44 280
09 121 21 162 33 215 45 487
10 124 22 165 34 221 46 294
11 127 23 169 35 226 47 301
12 130 24 174 36 232 48 309
S 10-2 R 10-1 А 100 В 10+1
49 316 61 422 73 562 85 750
50 324 62 432 74 576 86 768
51 332 63 442 75 590 87 787
52 340 64 453 76 604 88 806
53 348 65 464 77 619 89 825
54 357 66 475 78 634 90 845
55 365 67 487 79 649 91 866
56 374 68 499 80 665 92 887
57 383 69 511 81 681 93 909
58 392 70 523 82 698 94 931
59 402 71 536 83 715 95 953
60 412 72 549 84 732 96 976
С 10+2 D 10+3 E 10+4 F 10+5

Обозначение резисторов на схемах.

На схемах резисторы обозначаются белым прямоугольником с надписью, и в надписи иногда содержится как информация о номинале резистора, так и информация о его максимальной рассеиваемой мощности (если она критична для данного электронного устройства).

Обозначение мощности на резисторах

Рисунок 7 — Обозначение мощности на резисторах

Вместо точки в десятичной дроби обычно ставят букву R, K, M — если имеются ввиду Ом, кОм и МОм соответственно. 1R0 — 1 Ом; 4K7 — 4,7 кОм; 2M2 — 2,2 Мом и т. д.

Чаще в схемах и на платах резисторы просто нумеруются R1, R2 и т. д., а в сопроводительной документации к схеме или плате дается список компонентов по этими номерами.

Относительно мощности резистора, на схеме она может быть указана надписью буквально, например 470/5W — значит — 470 Ом, 5 ваттный резистор или символом в прямоугольнике. Если прямоугольник пустой, то резистор берется не очень мощный, то есть 0,125 — 0,25 ватт, если речь о выводном резисторе или максимум типоразмера 1210, если выбран резистор SMD.

2. Закон Ома для участка цепи и полной цепи

Зависимость между силой тока, напряжением и сопротивлением на участке цепи определяет закон Ома, который выражается следующим соотношением:

закон Ома (1)

где I-сила тока (А), U-напряжение (В), R — сопротивление внешней цепи.

Электрическая цепь состоит из двух частей: внешней состоящей из различных сопротивлений нагрузки и внутренней — сопротивления источника тока. Когда цепь замкнута, он течет как по внешней, так и по внутренней цепи. Поэтому ток в цепи будет равен:

ток в цепи (2)

где Е — электродвижущая сила (ЭДС) источника, r – сопротивление источника тока. Это соотношение выражает закон Ома для полной цепи. Из него видно, что если сопротивление нагрузки внешней цепи будет меньше внутреннего сопротивления источника, то наступает короткое замыкание.

2.1. Параллельное соединение сопротивлений, первый закон Кирхгофа

Параллельное соединение резисторов

Рисунок 8 — Параллельное соединение резисторов

При параллельном соединении сопротивлений общее сопротивление цепи будет меньше наименьшего и выражается соотношением:

общее сопротивление цепи (3)

для двух сопротивлений:

для двух сопротивлений (4)

На рисунке 8 показана цепь, состоящая из трех параллельно соединенных сопротивлений и источника тока. Если измерить ток в неразветвленной цепи и отдельно в каждой ветви, то будет видно, что ток в неразветвленной цепи равен сумме токов, текущих во всех ветвях:

Первый закон Кирхгофа: сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю, или сумма втекающих в узел токов равна сумме вытекающих из него токов.

Параллельное соединение есть основной способ включения в электрическую цепь приборов или аппаратов различных потребителей.

2.2. Последовательное соединение сопротивлений, второй закон Кирхгофа

Последовательное соединение резисторов

Рисунок 9 — Последовательное соединение резисторов

На рисунке 9 показана цепь, состоящая из трех последовательно соединенных сопротивлений. По всем сопротивлениям будет протекать ток одинаковой величины, а напряжение на концах каждого сопротивления зависит от его величины и определяется по закону Ома:

закон Ома (5)

При последовательном соединении сопротивлений общее сопротивление будет равно их сумме:

(6)

Второй закон Кирхгофа формулируется: величина напряжения всей цепи равна сумме падений напряжений на отдельных его участках:

(7)

С помощью последовательно соединенных сопротивлений можно получить делитель напряжения, что используется часто в радиотехнических схемах.

3. Мощность, энергия постоянного тока

Мощность, потребляемая в нагрузке, прямо пропорциональна величине потребляемого тока и напряжению на нагрузке:

Мощность, потребляемая в нагрузке (8)

Мощность измеряется в следующих единицах: 1 Вт= 1 В • 1 А; 1 кВт = 103Вт.

Потребляемая энергия электрического тока выражается соотношением:

Потребляемая энергия электрического тока (9)

Единицы измерения потребляемой энергии: 1 ватт * секунда, 1 ватт*час=3600 ватт*секунд, 1 киловатт*час = 103 ватт*час. Для измерения потребляемой энергии используются специальные счетчики, которые дают покаяния в киловатт*часах.

4. Электрическая ёмкость

Тело, способное накоплять электрические заряды, обладает емкостью. Емкость измеряется в следующих единицах: 1 фарада~(Ф)=106микрофарад (мкф), 1 микрофарада 103 нанофарад (нФ), 1 нФ=103 пикофарад (пФ).

Два проводника, изолированные один от другого и помещенные вблизи друг от друга, образуют конденсатор. Проводники, образующие конденсатор, заряжают равными по величине и противоположными по знаку зарядами. В практике применяется плоский конденсатор, состоящий из двух параллельных металлических пластин, разделенных слоем диэлектрика. Пластины конденсатора называются обкладками. Расстояние между пластинами очень маленькое, по сравнению с их размерами.

Установлена следующая зависимость электроемкости конденсатора от его размеров и толщины диэлектрика. Ёмкость конденсатора (С) прямо пропорциональна площади его пластин, диэлектрической постоянной и обратно пропорциональна толщине диэлектрика:

Уменьшая толщину диэлектрика и расстояние между пластинами, можно увеличить емкость конденсатора. Но слишком уменьшать толщину диэлектрика нельзя, так как при неизменной разности потенциалов на обкладках может произойти его пробой. Поэтому на конденсаторах в обязательном порядке указывается рабочее напряжение.

4.1. Параллельное и последовательное соединение конденсаторов

На рисунке 10. изображено параллельное соединение нескольких конденсаторов. В этом случае напряжения, подводимые к отдельным конденсаторам, одинаковы:

(10)

Заряды на обкладках отдельных конденсаторов:

Заряды на обкладках конденсаторов (11)

а заряд, полученный от источника

заряд, полученный от источника (12)

Схема параллельного соединения конденсаторов

Рисунок 10 — Схема параллельного соединения конденсаторов Общая емкость равнозначного (эквивалентного) конденсатора:

емкость эквивалентного конденсатора (13)

т. е. при параллельном соединении конденсаторов общая емкость равна сумме емкостей отдельных конденсаторов.

Общее рабочее напряжение будет равно наименьшему рабочему напряжению из всех соединенных конденсаторов.

Способы соединения конденсаторов

Рисунок 11— Способы соединения конденсаторов

4.2. Последовательное соединение конденсаторов

При последовательном соединении конденсаторов (рисунок 11) на обкладках отдельных конденсаторов электрические заряды по величине равны:

(14)

Действительно, от источника питания заряды поступают лишь на внешние обкладки цепи конденсаторов, а на соединенных между собой внутренних обкладках смежных конденсаторов происходит лишь перенос такого же по величине заряда с одной обкладки на другую (наблюдается электростатическая индукция), поэтому и на них появляются равные и разноимённые электрические заряды.

При последовательном соединении (рисунок 12) — общая емкость их будет меньше наименьшей:

Схема последовательного соединения конденсаторов

Рисунок 12.- Схема последовательного соединения конденсаторов

Общее рабочее напряжение при таком соединении будет равно сумме рабочих напряжений всех соединенных конденсаторов.

В зависимости от назначения конденсаторы изготовляются различными по величине емкости и рабочему напряжению. Кроме того, конденсаторы различаются по конструктивному исполнению и типу применяемых в них диэлектриков.

Обозначение конденсаторов.

На корпусе конденсатора по ГОСТу обозначаются тип, номинальная емкость, допустимые размеры отклонения в процентах, рабочее напряжение. На некоторых конденсаторах указывается также класс точности. Первая буква «К» означает конденсатор, дальше следует цифра, обозначающая вид диэлектрика, и буква, указывающая, в каких цепях может использоваться ,конденсатор; после нее стоит номер разработки или буква, укатывающая вариант конструкции.

Цифра, стоящая после буквы «К», означает вид диэлектрика. Далее указывается ёмкость и если необходимо рабочее напряжение.

5. Катушки индуктивности

Индуктивность катушки зависит от ее геометрических размеров, количества витков и численно равна ЭДС самоиндукции в катушке при равномерном изменении тока в ней на 1А в 1 сек. Она измеряется в следующих единицах: 1 генри (Гн), 1 Гн=103 миллигенри (мГн), 1 мГн=10микрогенри (мкГн).

Катушки индуктивности также соединяются параллельно и последовательно. При этом величина индуктивности меняется. На рисунке 13 показано параллельное соединение катушек индуктивности.

При параллельном соединении в цепь катушек индуктивности, общая индуктивность будет равна:

Параллельное соединение индуктивностей

Рисунок 13— Параллельное соединение индуктивностей

общая индуктивность (15)

На рисунке 14 показано последовательное соединение индуктивностей

Последовательное соединение индуктивностей

Рисунок 14 — Последовательное соединение индуктивностей

При последовательном соединении — общая индуктивность будет равна сумме индуктивностей всех катушек:

сумма индуктивностей всех катушек(16)

Трансформатор.

В практике очень часто возникает необходимость имеющееся переменное напряжение преобразовать в большую или меньшую величину. Для этой цели применяется трансформатор. Он представляет собой две или несколько катушек, надетых на стальной сердечник (рисунок 15). Одна из катушек, к которой подключается источник переменного напряжения, называется первичной обмоткой, все остальные, с которых снимается напряжение, называются вторичными.

Трансформаторы являются обратимыми приборами и могут использоваться как для понижения так и для повышения напряжения

На рисунке 15 изображен трансформатор, работающий в режиме холостого хода: W1— число витков первичной обмотки; W2— число витков вторичной обмотки; R1— активное сопротивление первичной обмотки.

Работа трансформатора основана на явлении взаимной индукции. При  подключении источника ЭДС к первичной обмотке переменный ток создает в сердечнике трансформатора переменный магнитный поток, который пронизывает витки всех обмоток и создает в каждом отдельном витке ЭДС индукции.

Трансформатор

Рисунок 15 – Трансформатор

Общая ЭДС на концах каждой обмотки будет равна сумме ЭДС ее отдельных витков Е2= w *l где; Е2 − ЭДС, wколичество витков в соответствующих обмотках, l – ЭДС одного витка — ЭДС, индуктированную в первичной обмотке трансформатора основным магнитным потоком можно определить.

(17)

Для действительной ЭДС вторичной обмотки можно получить формулу

(18)

где Фm — максимальное или амплитудное значение основного магнитного потока; ω = 2πf — угловая частота; f — частота переменного напряжения.

Если число витков первичной обмотки меньше числа витков вторичной обмотки, то трансформатор будет повышать напряжение; а если больше, то понижать. Соотношение витков вторичной и первичной обмоток или их напряжений выражают коэффициентом трансформации:

Наиболее часто в электротехнических установках используются следующие специальные типы трансформаторов: автотрансформаторы, многообмоточные и трехфазные трансформаторы.

Автотрансформатором — называется такой трансформатор, у которого имеется только одна обмотка, часть которой принадлежит одновременно вторичной и первичной цепям. То есть, на которую обмотку подаётся напряжение с той и снимается. Схема однофазного автотрансформатора изображена на рисунке 16.

Автотрансформатор

Рисунок 16 — Автотрансформатор

Режим холостого хода автотрансформатора, когда I2 = 0, ничем не отличается от режима холостого хода обычного трансформатора. Подводимое к трансформатору напряжение U1 = UAB равномерно распределяется между витками первичной обмотки.

Автотрансформаторы выгодно использовать в тех случаях, когда коэффициент трансформации близок к единице.

6. Индуктивность и емкость в цепи постоянного тока

При подключении источника тока к катушке возрастающий магнитный поток рождает в витках встречный индуктивный ток, который создает сопротивление основному току. По этой причине ток от источника в катушке возрастает постепенно, по мере уменьшения встречного индукционного тока, и в конечном итоге становится максимальным, а напряжение на ней минимальным.

В первоначальный момент, после подключения конденсатора к источнику, ток по нему будет протекать максимальный, так как сопротивление незаряженного конденсатора очень мало. Постепенно по мере заряда конденсатора сопротивление его увеличивается, ток уменьшается и в конечном итоге становится равным нулю, а напряжение на конденсаторе становится максимальным.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что при подключении катушки индуктивности в электрическую цепь напряжение опережает ток.

А при подключении электрической ёмкости наоборот, ток опережает напряжение на 90°. В цепи переменного тока это явление называется сдвигом фаз.

7. Переменный ток и его характеристики

Ток, который в равные промежутки времени меняет свою величину и направление, называется переменным. Если величина тока изменяется по закону синусоиды, то такой ток называется синусоидным. Преимущество такой формы переменного тока в том, что при протекании через индуктивную и емкостные цепи форма его не меняется.

Переменный ток характеризуется следующими основными параметрами: период (Т)— промежуток времени, в течение которого ток совершает одно полное колебание и принимает по величине и знаку первоначальное значение. Число полных колебаний тока в одну секунду называется частотой:

Частота переменного тока измеряется в герцах Гц мегагерц (МГц)=103 килогерц (кГц); 1 кГц=103 герц (Гц). Амплитудное значение тока (Im)— это его максимальное значение. Мгновенное значение переменного синусоидального тока и напряжения выражается следующими соотношениями: Время Т, в течение которого переменный периодический ток совершает полный цикл своих изменений, возвращаясь к своей исходной величине называется периодом переменного тока. Величина, обратная периоду, называется частотой переменного тока

. (19)

Частота переменного тока численно равна числу периодов в секунду. Наиболее часто встречающиеся периодические переменные токи: синусоидальный, прямоугольный и треугольный (пилообразный). При этом токи и напряжения первичной и вторичной обмоток находятся в следующих соотношения

 

(20)

Из выражения следует: во сколько раз повышается напряжение во вторичной обмотке, во столько раз уменьшается ток. А если трансформатор понижает напряжение, то ток увеличивается во столько раз, во сколько раз понижается напряжение.

При работе трансформатора получаемая от источника энергия передается во вторичную обмотку не полностью, часть ее теряется на бесполезный нагрев обмоток и сердечника. Сердечник трансформатора нагревается вихревыми токами, которые создают в нем переменный магнитный поток. Но теряемая энергия незначительна и КПД трансформатора достигает 85—95%. такой высокий КПД позволяет широко применять трансформаторы в электротехнике и радиотехнике.

Если трансформатор имеет несколько вторичных обмоток, то равенство мощностей первичной обмотки и всех вторичных обмоток с учетом КПД трансформатора окажется справедливым.

В отличие от трансформатора автотрансформатор имеет всего одну обмотку. Когда напряжение от источника подается на большую часть витков, а снимается с меньшей, автотрансформатор понижает напряжение, если напряжение от источника подается на меньшую часть витков, а снимается с большей части, то автотрансформатор повышает напряжение. В лабораторных автотрансформаторах (рисунок 16.) клемма, с которой снимается напряжение в нагрузку, выполняется в виде скользящею контакта.

8. Трёхфазный переменный ток

Передача переменного тока в нашей стране в промышленных масштабах происходит с помощью трехфазных сетей. Это выгодно экономически — не нужны еще два нулевых провода. Подходя к потребителю, ток разделяется на три фазы, и каждой из них дается по нулю. Так он попадает в квартиры и дома — в виде однофазной электрической цепи, состоящей из трех проводов (фаза, нуль и заземление). Хотя иногда трехфазная сеть заводится прямо в дом. Как правило, речь идет о частном секторе, и такое положение дел имеет свои плюсы и минусы.

Номинальное линейное напряжение (между линейными проводами) трехфазной системы переменного тока составляет 380 В.. Фазное напряжение возникает между нулевым проводом и одним из фазных, оно составляет 220 В.

Фазные проводники обозначаются латинскими буквами L с цифровым индексом 1, 2, 3 либо A, B и C, нулевой провод обозначается буквой N.

9. Магнетизм. Ферромагнетики

Согласно закону Ампера, электрический ток производит магнитное поле. Электрон, вращающийся вокруг атома, можно рассматривать как циклический электрический ток очень малой силы и радиуса. Однако магнитное поле он, и это не удивительно, всё равно индуцирует. Фактически же, все электроны, вращаясь вокруг атомов, производят свое магнитное поле, и каждый атом, как следствие, обладает собственным магнитным полем, которое представляет собой суммарное поле, или суперпозицию магнитных полей отдельных электронов.

В некоторых атомах равное число электронов вращается во всевозможных направлениях, и их магнитные поля взаимно гасятся. Однако в атомах некоторых элементов орбиты электронов могут быть ориентированы таким образом, что часть электронов производит магнитные поля, остающиеся некомпенсированными за счет полей электронов, обращающихся в противоположном направлении. И когда такие магнитные поля, связанные с вращением электронов по орбите, к тому же оказываются одинаково направленными у всех атомов кристаллической структуры вещества, он, в целом, создает вокруг себя стабильное и достаточно сильное магнитное поле. Любой фрагмент такого вещества представляет собой маленький магнит с четко выраженными северным и южным полюсами.

Именно совокупное поведение таких мини-магнитов атомов кристаллической решетки и определяет магнитные свойства вещества. По своим магнитным свойствам вещества делятся на три основных класса: ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики.

К ферромагнетикам (ferrum – железо) относятся вещества, магнитная восприимчивость которых положительна и достигает значений 104 − 105 Намагниченность и магнитная индукция ферромагнетиков растут с увеличением напряженности магнитного поля нелинейно, и в полях  намагниченность ферромагнетиков достигает предельного

значения , а вектор магнитной индукции растет линейно.

Ферромагнитные свойства материалов проявляются только у веществ в твердом состоянии, атомы которых обладают постоянным спиновым, или орбитальным, магнитным моментом, в частности у атомов с недостроенными внутренними электронными оболочками. Типичными ферромагнетиками являются переходные металлы. В ферромагнетиках происходит резкое усиление внешних магнитных полей. Причем для ферромагнетиков сложным образом зависит от величины магнитного поля. Типичными ферромагнетиками являются Fe, Co, Ni, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, а также соединения ферромагнитных материалов с неферромагнитными: Fe3Al, Ni3Mn, ZnCMn3 и др.

Существенным отличием ферромагнетиков от диа- и парамагнетиков является наличие у ферромагнетиков самопроизвольной (спонтанной) намагниченности в отсутствие внешнего магнитного поля. Наличие у ферромагнетиков самопроизвольного магнитного момента Jв в отсутствие внешнего магнитного поля означает, что электронные спины и магнитные моменты атомных носителей магнетизма ориентированы в веществе упорядоченным образом.

Ферромагнетики – это вещества, обладающие самопроизвольной намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий – магнитного поля, деформации, температуры.

10. Самоиндукция и взаимоиндукция

Изменяющийся по величине ток всегда создает изменяющееся магнитное поле, которое, в свою очередь, всегда индуктирует ЭДС. При всяком изменении тока в катушке (или вообще в проводнике) в ней самой индуктируется ЭДС самоиндукции.

Когда ЭДС в катушке индуктируется за счет изменения собственного магнитного потока, величина этой ЭДС зависит от скорости изменения тока. Чем больше скорость изменения тока, тем больше ЭДС самоиндукции.

Величина ЭДС самоиндукции зависит также от числа витков катушки, густоты их намотки и размеров катушки. Чем больше диаметр катушки, число ее витков и густота намотки, тем больше ЭДС самоиндукции. Эта зависимость ЭДС самоиндукции от скорости изменения тока в катушке, числа ее витков и размеров имеет большое значение в электротехнике.

Не следует забывать, что если ток в катушке не изменяется, то никакой ЭДС самоиндукции не возникает. Явление самоиндукции особенно резко проявляется в цепи, содержащей в себе катушку с железным сердечником, так как железо значительно увеличивает магнитный поток катушки, а следовательно, и величину ЭДС самоиндукции при его изменении.

И в этом случае при изменении тока в одной катушке возникающий переменный магнитный поток будет пронизывать (пересекать) витки другой катушки и вызовет в ней ЭДС.

Взаимоиндукция

Рисунок 17 — Взаимоиндукция

Взаимоиндукция дает возможность связывать между собой посредством магнитного поля различные электрические цепи. Такую связь принято называть индуктивной связью, рисунок 31.

Величина ЭДС взаимоиндукции зависит прежде всего от того, с какой скоростью изменяется ток в первой катушке. Чем быстрее изменяется в ней ток, тем создается большая ЭДС взаимоиндукции.

На явлении взаимоиндукции основана работа такого важного электротехнического устройства, как трансформатор.

11. Классификация электроматериалов

1. По назначению.

По назначению материалы, используемые в различных областях электроники, условно подразделяют на конструкционные и электротехнические.

Конструкционные материалы применяют для изготовления несущих конструкций, а также вспомогательных деталей и элементов радиоприборов, работающих в условиях воздействия механических нагрузок.

Электротехнические материалы находят применение в электротехнике, электронике и радиоэлектронике. Применение этих материалов в обусловлено прежде всего их электрическими и магнитными свойствами.

2. По электрическим свойствам.

В процессе изготовления и в различных условиях эксплуатации на электротехнические материалы воздействуют электрическое и магнитное поля в отдельности и совместно. По поведению в электрическом поле эти материалы подразделяют на

  • проводниковые,
  • полупроводниковые
  • диэлектрические.

Классификация электроматериалов по электрическим свойствам основана на представлениях зонной теории электропроводности твердых тел.

Проводниковые материалы служат для проведения электрического тока. Обычно к проводникам относят вещества с удельным электрическим сопротивлением ṕ менее 10-5 Ом*м.

Диэлектрики имеют высокое удельное электрическое сопротивление. К диэлектрическим материалам относят вещества с удельным электрическим сопротивлением ṕ более 107 Ом*м. Благодаря высокому удельному электрическому сопротивлению их используют в качестве электроизоляционных материалов.

3. По магнитным свойствам.

Все материалы, находясь в магнитном поле, обладают определенными магнитными свойствами, которые обусловлены внутренними формами движения электрических зарядов.

По характеру взаимодействия с внешним магнитным полем все электроматериалы подразделяются на немагнитные и магнитные.

12. Виды сплавов и их характеристики

Классификацию металлов следует начинать с разделения всего класса на черные и цветные металлы. Благодаря уникальным свойствам обоих типов существует возможность соединений разных химических элементов, которые в результате образовывают так называемые сплавы. Кроме чистого железа и сплавов к группе металлов можно отнести металлиды, а также интерметаллиды (сложные соединения элементов, отличающиеся повышенной прочностью).

Отличить металлы от сплавов можно не только по внешним признакам, зернистости, гладкости, но также и по физическим свойствам. Это тепло- и электропроводность, высокая температура плавления и намагничивание (присуще железным сплавам). В то же время при нагревании металлы теряют свойство электропроводности (не полностью). При низкой температуре некоторые типы металлов, наоборот, считаются сверхпроводниками электричества. Поверхности металлов также свойственно окисляться в большей или меньшей степени. Иными словами, разные виды металлов и сплавов по-разному подвергаются ржавчине (коррозии) и восстановлению.

Если говорить непосредственно о сплавах, то их отличают по свойствам твердости, пластичности и прочности. Физические характеристики разделяют сплавы по цвету, электро- и теплопроводности, магнитному притяжению, плотности. Самыми распространенными в производстве сплавами по разным сочетаниям свойств можно считать алюминий, латунь, медь, бронзу и титан. Из этих элементов изготавливают разные детали и выливают уже готовые изделия.

Сплавы используемые в промышленности: Конструкционные сплавы: стали, чугуны, дюралюминий

Конструкционные со специальными свойствами (например, искробезопасность, антифрикционные свойства):бронзы, латуни

Для заливки подшипников: баббит

Для измерительной и электронагревательной аппаратуры: манганин, нихром, фехраль, константан

Для изготовления режущих инструментов: победит, твёрдые сплавы

13. Полупроводники. Полупроводниковый диод

Если в чистый германий ввести малое количество примесей мышьяка или сурьмы, то это придаст ему свойства электронной (n) проводимости, в нем избыточные электроны являются основными носителями электричества, а неподвижные связанные ионы составляют кристаллическую основу. Если в германий добавить индий, то он придаст ему свойства дырочной (р) проводимости. Дырка представляет собой дефектную незаполненную связь в атоме германия, способную заполниться одним из свободных электронов, а также перемещаться, и ведет себя как положительный заряд.

Диод.

Если два кусочка германия с разной проводимостью ввести в соприкосновение (рисунок 18), то начнется перемещение зарядов через границу электронов из n — области в р область, а дырок, наоборот, из р в n. В результате на границе появится слой, обедненный носителями зарядов. Он создает электрическое поле р—n перехода и представляет собой потенциальный барьер, препятствующий дальнейшей диффузии зарядов через переход. Совокупность двух таких областей образует полупроводниковый диод.

Принцип работы полупроводникового диода

Рисунок 18 — Принцип работы полупроводникового диода

В том случае, когда источник питания присоединен контактом со знаком + к зоне р, а отрицательным — к зоне п, потенциальный барьер ослабляется и начинается усиленное движение электронов и дырок через переход. Чем больше напряжение источника, тем больше протекает тока через переход. В таких случаях принято говорить, что диод включен в прямом направлении.

Если изменить полярность подключения источника, то потенциальный барьер увеличится, и будет оказывать большое сопротивление переходу зарядов. В этом случае диод включен в обратном направлении, и ток через него протекать не будет. Обратное сопротивление диода в сотни или тысячи раз больше прямого.

Принцип выпрямления тока

Рисунок 19 — Принцип выпрямления тока

Таблица 3 — Обозначение полупроводниковых диодов

Диод общее обозначение
Стабилитрон

Тиристор

Фотодиод
Светодиод

На рисунке 19. мы видим ка из переменного тока получается постоянный, при прохождении через диод. Это однополупериодный выпрямитель

Двухполупериодный выпрямитель (рисунок 20.) дает возможность получить в два раза больший выпрямленный ток при меньших пульсациях. Для исполнения такой схемы требуется трансформатор с отводом от средней точки вторичной обмотки. Недостаток ее в том, что вторичная обмотка трансформатора требует в два раза большего количества витков.

Схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой

Рисунок 20 — Схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой Наиболее часто применяется мостовая схема двухполупериодного

выпрямителя (рисунок 21). В этой схеме в течение каждого полупериода работают попарно два диода VД14, VД23, пропуская ток только в одном направлении.

Мостовая схема выпрямления

Рисунок 21 — Мостовая схема выпрямления.

Сглаживающие фильтры обычно выполняются из относительно больших индуктивностей и емкостей. Пульсирующее напряжение заряжает до амплитудного значения емкости, которые разряжаются в промежутках между амплитудами, поддерживая постоянным напряжение на нагрузке. Индуктивность для пульсирующей составляющей представляет большое реактивное сопротивление, а емкость — малое, поэтому фильтр не пропускает ее в нагрузку

14. Сабилитроны, динисторы, тиристоры

Полупроводниковый стабилитрон, или диод Зенера, представляет собой диод особого типа. При прямом включении обычный диод и стабилитрон ведут себя аналогично. Разница между ними проявляется при обратном включении. Обычный диод при подаче обратного напряжения и превышении его номинального значения просто выходит из строя. А для стабилитрона подключение обратного напряжения и его рост до установленной точки является штатным режимом. При достижении определенной точки обратного напряжения в стабилитроне возникает обратимый пробой. Через устройство начинает течь ток. До наступления пробоя стабилитрон находится в нерабочем состоянии и через него протекает только малый ток утечки. На электросхемах стабилитрон обозначается как стрелка-указатель, на конце которой имеет черточка, обозначающая запирание. Стрелка указывает направление тока. Буквенное обозначение на схемах – VD.

Стабилитрон включается в обратном направлении параллельно сопротивлению нагрузки (рисунок 22). Напряжение от источника подключается к стабилитрону через гасящее сопротивление 𝑅𝑅г

Стабилизация напряжения осуществляется следующим образом. При увеличении напряжения источника сопротивление стабилитрона резко уменьшается, в результате чего ток через 𝑅𝑅г и стабилитрон увеличивается На гасящем сопротивлении увеличится падение напряжения, а на стабилитроне оно практически останется неизменным. При уменьшении напряжения источника все происходит в обратном порядке.

Диодная стабилизация

Рисунок 22 — Диодная стабилизация

Недостатком диодного стабилизатора является его малая экономичность и невозможность стабилизации напряжения при больших токах нагрузки, превышающих по своей величине ток диода.

Эти недостатки устраняет диодно-транзисторный стабилизатор (рисунок 23). Транзистор включается по схеме с общим коллектором последовательно сопротивлению нагрузки 𝑅𝑅н, а стабилитрон включается в цепь базы. Так как напряжение на эмиттере практически повторяет напряжение на базе, то транзисторный стабилизатор позволяет в несколько раз увеличить ток нагрузки.

Если ток нагрузки слишком большой, то схему стабилизации выполняют составной, из нескольких транзисторов. Транзистор, включенный последовательно нагрузке, называется регулирующим. Его коллекторный ток должен соответствовать току нагрузки. Увеличение питающего напряжения или сопротивления нагрузки воздействует через схему на базу регулирующего транзистора таким образом, что увеличивает его сопротивление и уменьшает его при уменьшении напряжения источника или сопротивления нагрузки.

Диодно-транзисторная стабилизация

Рисунок 23 — Диодно-транзисторная стабилизация

Кремниевые сплавные стабилитроны Д815 (А-И) выпускаются в металлическом герметичном корпусе, который является положительным электродом. Такие элементы имеют широкий интервал рабочих температур – от -60°C до +100°C. Кремниевые сплавные двуханодные стабилизирующие диоды КС175А, КС182А, КС191А, КС210Б, КС213Б выпускают в пластмассовом корпусе. Кремниевые сплавные термокомпенсированные детали КС211 (Б-Д), используемые в качестве источников опорного напряжения, имеют пластмассовый корпус.

SMD стабилитроны, то есть миниатюрные компоненты, предназначенные для поверхностного монтажа, изготавливаются в основном в стеклянных и пластиковых корпусах. Такие элементы могут выпускаться с двумя и тремя выводами. В последнем случае третий вывод является «пустышкой», никакой смысловой нагрузки не несет и предназначается только для надежной фиксации детали на печатной плате.

Тиристоры.

В отличие от обычного диода, тиристор, кроме анода и катода, имеет третий управляющий электрод. Для этих моделей характерны два устойчивых состояния – открытое и закрытое. По устройству эти детали разделяют на динисторы, тринисторы, симисторы. При производстве этих изделий в основном используется кремний.

Диодные мосты.

Это 4, 6 или 12 диодов, которые соединяются между собой (рисунок 24). Число диодных элементов определяется типом схемы, которая бывает – однофазной, трехфазной, полноили полумостовой. Мосты выполняют функцию выпрямления тока. Часто используются в автомобильных генераторах.

Диодные мосты

на 4 диода                                                  на 6 диодов

Рисунок 24 — Диодные мосты

Симисторы

Симисторы (симметричные тиристоры) – это разновидность тиристора, используется для коммутации в цепях переменного тока. В отличие от тиристора, имеющего катод и анод, основные (силовые) выводы симистора называть катодом или анодом некорректно, так как в силу структуры симистора они являются тем и другим одновременно. Симистор остаётся открытым, пока протекающий через основные выводы ток превышает некоторую величину, называемую током удержания.

Динисторы

Динистором, или диодным тиристором, называется устройство, не содержащее управляющих электродов. Вместо этого они управляются напряжением, приложенным между основными электродами. Их основное применение – управление мощной нагрузкой при помощи слабых сигналов. Также динисторы используют при изготовлении переключающих устройств.

15. Биполярные транзисторы и схемы их включения

Транзистором называется полупроводниковый прибор, который может усиливать, преобразовывать и генерировать электрические сигналы.

В биполярном транзисторе используются два типа носителей заряда — электроны и дырки, отчего такие транзисторы и называются биполярными. Кроме биполярных существуют униполярные (полевые) транзисторы, у которых используется лишь один тип носителей — электроны или дырки.

Транзисторы по праву считаются одним из великих открытий человечества. Придя на смену электронным лампам, они не просто заменили их, а совершили переворот в электронике, удивили и потрясли мир. Если бы не было транзисторов, то многие современные приборы и устройства, такие привычные и близкие, просто не появились на свет: представьте себе, например, мобильный телефон на электронных лампах!

Большинство кремниевых транзисторов имеют структуру n-p-n, что также объясняется технологией производства, хотя существуют и кремниевые транзисторы типа p-n-p, но их несколько меньше, нежели структуры n-p-n. Такие транзисторы используются в составе комплементарных пар (транзисторы разной проводимости с одинаковыми электрическими параметрами). Например, КТ315 и КТ361, КТ815 и КТ814, а в выходных каскадах транзисторных УМЗЧ КТ819 и КТ818. В импортных усилителях очень часто применяется мощная комплементарная пара 2SA1943 и 2SC5200.

Часто транзисторы структуры p-n-p называют транзисторами прямой проводимости, а структуры n-p-n обратной. В литературе такое название почему-то почти не встречается, а вот в кругу радиоинженеров и радиолюбителей используется повсеместно, всем сразу понятно, о чем идет речь. На рисунке 25. показано схематичное устройство транзисторов и их условные графические обозначения.

Кроме различия по типу проводимости и материалу, биполярные транзисторы классифицируются по мощности и рабочей частоте. Если мощность рассеивания на транзисторе не превышает 0,3 Вт, такой транзистор считается маломощным. При мощности 0,3…3 Вт транзистор называют транзистором средней мощности, а при мощности свыше 3 Вт мощность считается большой. Современные транзисторы в состоянии рассеивать мощность в несколько десятков и даже сотен ватт.

Транзисторы усиливают электрические сигналы не одинаково хорошо: с увеличением частоты усиление транзисторного каскада падает, и на определенной частоте прекращается вовсе. Поэтому для работы в широком диапазоне частот транзисторы выпускаются с разными частотными свойствами.

Биполярные транзисторы

Рисунок 25 — Биполярные транзисторы

Если к транзистору типа р-п-р источник напряжения плюсом подключить к эмиттеру, минусом к коллектору, а на базу подать небольшое отрицательное напряжение по отношению к эмиттеру, то потенциальный барьер эмиттер — база уменьшится, а барьер база — коллектор усилится. В результате чего дырки из эмиттера будут свободно переходить в базу. Небольшая часть их компенсируется свободными электронами базы и образует базовый ток. Большая часть (95—98%) дырок подходит К коллектору — переходу, поле которого направлено так, что ускоряет переход дырок из базы в коллектор, все дырки, прошедшие через коллекторный переход, составляют коллекторный ток. Таким образом, эмиттерный ток по величине будет равен сумме базового и коллекторного токов:

эмиттерный ток (21)

Изменяя величину напряжения приложенного к переходу эмиттер — база, можно изменять ток базы, который управляет величиной коллекторного тока.

15.1. Схемы включения транзисторов

Всего таких схем применяется три: схема с общим эмиттером (ОЭ), схема с общим коллектором (ОК) и схема с общей базой (ОБ). Все эти схемы показаны на рисунке 26.

Схемы включения транзисторов

Рисунок 26 — Схемы включения транзисторов

Схема включения транзистора с общим эмиттером даёт наибольший коэффициент усиления по току и напряжению и поэтому применяется в усилительных каскадах. В этой схеме входным электродом является база, а усиленный сигнал снимается с нагрузки коллектора 𝑅𝑅2.

Схема включения транзистора с общим коллектором даёт наибольший коэффициент усиления по току, но не усиливает напряжения. Входным электродом является база а сигнал снимается с эмиттера 𝑅𝑅2. Эту схему ещё называют эмитерным повторителем т. к эмитер практически повторяет напряжение базы. Такую схему применяют для согласования каскадов с разным входным и выходным сопротивлением.

Схема включения транзистора с общей базой даёт наибольший коэффициент усиления по напряжению и применяется во входных цепях. Входным электродом является эмиттер, а выходным коллектор.

16. Полевые транзисторы

Полевые транзисторы очень распространены как в старой схемотехнике, так и в современной. Сейчас в большей степени используются приборы с изолированным затвором, о типах полевых транзисторов и их особенностях мы и поговорим.

Полевой транзистор – это полупроводниковый полностью управляемый ключ, управляемый электрическим полем. Это главное отличие с точки зрения практики от биполярных транзисторов, которые управляются током. Электрическое поле создается напряжением, приложенным к затвору относительно истока. Полярность управляющего напряжения зависит от типа канала транзистора. Здесь прослеживается хорошая аналогия с электронными вакуумными лампами.

Структура полевого транзистора

Sourceисток, Gateзатвор, Drain-сток.

Рисунок 27 — Структура полевого транзистора.

Другое название полевых транзисторов – униполярные.

«УНО» — значит один. В полевых транзисторах в зависимости от типа канала ток осуществляется только одним типом носителей дырками или электронами. В биполярных транзисторах ток формировался из двух типов носителей зарядов – электронов и дырок, независимо от типа приборов. Полевые транзисторы в общем случае можно разделить на:

  • транзисторы с управляющим p-n-переходом;
  • транзисторы с изолированным затвором.

полевой транзистор

Рисунок 28 — Условное графическое обозначение: а – полевой транзистор n-типа, б – полевой транзистор p-типа.

И те и другие могут быть n-канальными и p-канальными, к затвору первых нужно прикладывать положительное управляющее напряжение для открытия ключа, а для вторых – отрицательное относительно истока.

У всех типов полевых транзисторов есть три вывода (иногда 4),

  1. Исток (источник носителей заряда, аналог эмиттера на биполярном).
  2. Сток (приемник носителей заряда от истока, аналог коллектора биполярного транзистора).
  3. Затвор (управляющий электрод, аналог сетки на лампах и базы на биполярных транзисторах).

Первое состояние – приложим внешнее напряжение.

Если к такому транзистору приложить напряжение, к стоку плюс, а к истоку минус, через него потечет ток большой величины, он будет ограничен только сопротивлением канала, внешними сопротивлениями и внутренним сопротивлением источника питания. Можно провести аналогию с нормальнозамкнутым ключом.

Этот ток называется Iснач или начальный ток стока при Uзи=0.

Полевой транзистор с управляющим p-n-переходом, без приложенного управляющего напряжения к затвору является максимально открытым.

Напряжение к стоку и истоку прикладывается таким образом:

Через исток вводятся основные носители зарядов! Это значит, что если транзистор p-канальный, то к истоку подключают положительный вывод источника питания, т.к. основными носителями являются дырки (положительные носители зарядов) – это так называемая дырочная проводимость. Если транзистор n-канальный к истоку подключают отрицательный вывод источника питания, т.к. в нем основными носителями заряда являются электроны (отрицательные носители зарядов).

Исток — источник основных носителей заряда.

17. Фотоэлектронные приборы

Фотодиоды.

Предназначены для преобразования световой энергии в электрический сигнал. По принципу работы аналогичны солнечным батареям.

Светодиоды.

Эти устройства при подключении к электрическому току излучают свет. Светодиоды, имеющие широкую цветовую гамму свечения и мощность, применяются в качестве индикаторов в различных приборах, излучателей света в оптронах, используются в мобильных телефонах для подсветки клавиатуры. Приборы высокой мощности востребованы в качестве современных источников света в фонарях.

Инфракрасные диоды.

Это разновидность светодиодов, излучающая свет в инфракрасном диапазоне. Применяется в бескабельных линиях связи, КИП, аппаратах дистанционного управления, в камерах видеонаблюдения для обзора территории в ночное время суток. Инфракрасные излучающие устройства генерируют свет в диапазоне, который не доступен человеческому взгляду. Обнаружить его можно с помощью фотокамеры мобильного телефона.

Диоды Ганна.

Эта разновидность сверхчастотных диодов изготавливается из полупроводникового материала со сложной структурой зоны проводимости. Обычно при производстве этих устройств используется арсенид галлия электронной проводимости. В этом приборе нет p-n перехода, то есть характеристики устройства являются собственными, а не возникающими на границе соединения двух разных полупроводников.

Магнитодиоды.

В таких приборах ВАХ изменяется под действием магнитного поля. Устройства используются в бесконтактных кнопках, предназначенных для ввода информации, датчиках движения, приборах контроля и измерения неэлектрических величин.

Лазерные диоды.

Эти устройства, имеющие сложную структуру кристалла и сложный принцип действия, дают редкую возможность генерировать лазерный луч в бытовых условиях. Благодаря высокой оптической мощности и широким функциональным возможностям, приборы эффективны в высокоточных измерительных приборах бытового, медицинского, научного применения.

18. Слоистые пластмассы

Важнейшими из слоистых электроизоляционных пластмасс являются: гетинакс, текстолит и стеклотекстолит. Они состоят из листовых наполнителей (бумага, ткань), располагающихся слоями, а в качестве связующего вещества применяются бакелитовые, эпоксидные, кремнийорганические смолы и их композиции.

С целью повышения нагревостойкости бакелитовых смол в некоторые из них вводят кремнийорганические вещества, а для повышения клеящей способности в бакелитовые и кремнийорганические смолы вводят эпоксидные смолы. В качестве наполнителей применяют специальные сорта пропиточной бумаги (в гетинаксе), хлопчатобумажные ткани (в текстолите) и бесщелочные стеклянные ткани (в стеклотекстолите).

Слоистые электроизоляционные материалы выпускают в виде листов и плит различной толщины и назначения. Гетинакс и текстолит на бакелитовых смолах отличаются высокой стойкостью к минеральным маслам и поэтому широко применяются в маслонаполненных электрических аппаратах и трансформаторах.

Все слоистые материалы, кроме дельта-древесины, могут быть использованы в интервале температур от —60 до +105° С. Дельта-древесина может быть использована при температурах от—60 до + 90° С.

Слоистые электроизоляционные материалы на бакелитовых смолах имеют низкую искростойкость.

19. Электроизмерительные приборы

Измерение— это процесс определения физической величины с помощью технических средств.

Мера— это средство измерения физической величины заданного размера.

Измерительный прибор— это средство измерения, в котором вырабатывается сигнал, доступный для восприятия наблюдателем.

Меры и приборы подразделяются на образцовые и рабочие. Образцовые меры и приборы служат для поверки по ним рабочих средств измерений. Рабочие меры и приборы служат для практических измерений.

Классификация электроизмерительных приборов.

Электроизмерительные приборы можно классифицировать по следующим признакам:

  • методу измерения;
  • роду измеряемой величины; роду тока;
  • степени точности; принципу действия.

Существует два метода измерения. Классификация электроизмерительных приборов по методу измерения:

Метод непосредственной оценки, заключающийся в том, что в процессе измерения сразу оценивается измеряемая величин.

Метод сравнения, или нулевой метод, служащий основой действия приборов сравнения: мостов, компенсаторов.

Классификация электроизмерительных приборов по роду измеряемой величины:

  • Для измерения напряжения (вольтметры, милливольтметры, гальванометры);
  • для измерения тока (амперметры, миллиамперметры, гальванометры); для измерения мощности (ваттметры);
  • для измерения энергии (электрические счетчики); для измерения угла сдвига фаз (фазометры);
  • для измерения частоты тока (частотомеры); для измерения сопротивлений (омметры).

Классификация электроизмерительных приборов по роду тока:

  • постоянного;
  • переменного однофазного;
  • переменного трехфазного тока.

Классификация электроизмерительных приборов по степени точности: по степени точности приборы подразделяются на следующие классы точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; и 4,0. Класс точности не должен превышать приведенной относительной погрешности прибора.

Классификация электроизмерительных приборов по принципу действия: различают системы электроизмерительных приборов. Приборы одной системы обладают одинаковым принципом действия. Существуют следующие основные системы измерительных приборов: магнитоэлектрическая; электромагнитная; электродинамическая; индукционная и другие.

В настоящее время в основном применяют цифровые приборы, которые также имеют большое разнообразие. Кроме этого есть многофункциональные измерительные приборы. При помощи этих приборов можно измерять сразу несколько величин, например мультиметр; который может измерять сопротивление, напряжение, силу тока, температуру, ёмкость конденсатора и полупроводниковые приборы.

Одной из популярнейших мостовых схем, по сей день применяемых в контрольно-измерительных приборах и в электротехнических лабораториях, является измерительный мост Уитстона, названный в честь английского изобретателя Чарльза Уитстона, предложившего данную схему для измерения сопротивлений в далеком 1843 году. Измерительный мост Уитстона является по сути электрическим аналогом аптекарских рычажных весов, так как здесь используется подобный компенсационный метод измерения.

20. Измерение тока и напряжения

В полупроводниковых схемах практически не устанавливается величина напряжения. Исключением является опорное и подстраиваемое напряжения (например, в определенных рабочих точках). Большей частью причина заключается в том, что величина напряжения в полупроводниковых схемах не играет существенной роли из-за большого диапазона допустимых отклонений напряжений в полупроводниковых компонентах. Поэтому специалист по техобслуживанию должен на основе собственных соображений приблизительно оценить измеренное напряжение, исходя из расчетных значений схемы. Только сравнение требуемого значения с фактическим предоставляет специалисту по техобслуживанию возможность правильной оценки измеренного напряжения.

Определение величины напряжения посредством его измерения является наиболее эффективной формой поиска неисправности в электронных схемах (рисунок 29.а).

Если мы измеряем ток, то электрическая цепь, а соответственно и линия, по которой проходит ток, должна быть разомкнута для подключения прибора (рисунок 29.б). Измерение сопротивления можно проводить только в обесточенном состоянии (рисунок 29. в).

Кроме того, подвергающийся измерению сопротивления элемент должен с одной стороны быть отсоединен от схемы, иначе близлежащие соединенные с ним конструктивные элементы искажают результат измерения.

измерение напряжения измерение тока измерение сопротивления

Рисунок 29 — Измерения в электрической цепи: измерение напряжения (а); тока (6); сопротивления (в).

Для начала в качестве примера поиска неисправности с помощью измерения напряжения рассмотрим простую электрическую цепь, представленную на рисунке 30.

Неисправность в электрической цепи

Рисунок 30 — Неисправность в электрической цепи: элементы электрической цепи (а); переходное сопротивление контакта в электрической цепи (б); короткое замыкание относительно опорного потенциала (в); короткое замыкание между двумя электрическими цепями (г).

При проверке неисправных электрических цепей существует правило, по которому перед включением вначале выполняется визуальный осмотр электрической системы, в том числе осуществляется:

  • -проверка электрической цепи на наличие неизолированных проводов, которые могут накоротко замкнуть элемент схемы на опорный потенциал (потенциал земли) или на напряжение питания, а также могут привести к контакту с другим элементом;
  • -проверка наличия и степени износа изоляции с целью исключения возможности короткого замыкания;
  • -проверка наличия незакрепленных или неисправных электрических контактов и соединений, прежде всего электрических разъемов;
  • -проверка контактов, предназначенных для подключения напряжения питания, проверяют на коррозию и прочность соединения;
  • -проверка функционирования сигнальных лампочек и светодиодов;
  • -кратковременное периодическое включение и выключение напряжения питания в электрической цепи или схеме. Следует обратить внимание на нагревание, искрение, дым или запах, которые могут быть признаками короткого замыкания или перегрева вследствие перегрузки.

Для определения возможных причин возникновения аварии необходима систематизированная, методичная и полная проверка функционирования устройства.

В простой электрической цепи возможны только три существенные причины неисправности, при условии, что все соединения безупречны, и нет никаких коротких замыканий:

  • -имеется элемент цепи с внутренним коротким замыканием;
  • -присутствует завышенное внутреннее сопротивление элемента;
  • -имеется разрыв внутри элемента.

В простой электрической цепи, представленной на рисунке 30,а, имеется три конструктивных элемента и относящиеся к ним электрические соединения (предохранитель, переключатель, лампа накаливания, провода, клеммовые соединения). Здесь могут присутствовать такого рода неисправности. Неисправности соединений легко перепутать с неисправностями конструктивных элементов электрической цепи. К примеру, не функционирует один из элементов цепи. После того как электрический контакт разъединили, а затем снова соединили, элемент опять начал функционировать. Причиной неисправности было высокое переходное сопротивление контакта в соединительной клемме, вызванное ее коррозией, вследствие чего необходимый электрический ток не мог протекать через рассматриваемый элемент.

Следствием повышенного сопротивления электрической цепи (рисунок 30,б) может быть более медленная работа (например, двигателя), недостаточное функционирование (например, слабое свечение лампы). Причиной всего этого могут быть слабо закрепленные контакты, подверженные коррозии, загрязненные, замасленные клеммовые соединения и поврежденные провода, а также недостаточный диаметр многожильного провода, обусловленный его частичным обрывом.

Элементы разорванной электрической цепи не могут выполнять своих функций, Обрыв цепи возможен, например, из-за обрыва провода, отсоединения клеммы, разомкнутого переключателя.

Для определения переходного сопротивления либо для установления факта обрыва цепи необходимо измерить напряжение при замкнутом переключателе между его контактом и нагрузкой (лампой) в наиболее доступном месте и сравнить его с требуемым по документации напряжением (например, 24 В) относительно опорного потенциала (заземления).

Если измеренное напряжение оказалось слишком низким, производятся дополнительные измерения, постепенно приближаясь к источнику питания.

Это необходимо для того, чтобы установить участок, на котором происходит падение напряжения. Измерения производятся после каждого штекерного и клеммового соединения. Если напряжение между переключателем и нагрузкой ниже 24В, в таком случае неисправность необходимо искать в линии связи. Если напряжение питания в норме (24 В), то все же существует возможность переходного сопротивления между нагрузкой и опорным потенциалом. Поэтому производятся замеры напряжения после нагрузки в направлении опорного потенциала (заземления). Здесь не должно быть почти никакого напряжения, т.к. все напряжение должно находиться на нагрузке (лампа).

Если перед нагрузкой присутствует короткое замыкание относительно опорного потенциала (рисунок 30,в), то нагрузка не может функционировать. По-видимому, переключатель в этом случае также функционировать не будет, и должен сработать защитный предохранитель (на выключение).

Прежде чем заменить предохранитель, необходимо разомкнуть переключатель и проверить цепь на наличие короткого замыкания, измерив напряжение между шиной питания (перед и после переключателя) и опорным потенциалом. Если имеется протекание электрического тока между предохранителем и переключателем, то значит именно здесь и нужно искать короткое замыкание, в противном случае измерение напряжения выполняется после переключателя. Если ток обнаружен здесь, то короткое замыкание необходимо искать между переключателем и нагрузкой. Короткое замыкание между двумя электрическими цепями (рисунок 30, г) является причиной того, что два элемента приводятся в действие, даже если один из ключей размыкается (например, в случае неправильного контакта между двумя линиями).

Элементы цепи также могут быть замкнуты накоротко. Чтобы установить, в каком месте электрические цепи замкнуты накоротко, сначала замыкаем только переключатель А. При этом обе лампы будут гореть. Начинаем с того, что отсоединяем контакт лампы D, подключенный к кабелю, соединяющему ее и переключатель. Затем к этому контакту подсоединяют заведомо исправный дополнительный провод, другой конец которого начинаем постепенно перемещать вдоль кабеля от лампы к переключателю до тех пор, пока лампа не перестанет гореть. Таким образом, короткое замыкание будет находиться между двумя последними положениями дополнительного провода.

Обнаруженные неисправности в электрической цепи устраняют изолируя изоляционной лентой или заменяют поврежденный провод. Если кабельный жгут в месте короткого замыкания горячий, то его заменяют. Если на ощупь не чувствуется никаких горячих мест, то в месте, где обнаружено короткое замыкание помещают новый соединительный провод подходящего размера. Выполняют повторную проверку функционирования электрической цепи.

Все вышеизложенное можно использовать для любой электрической цепи. Эта информация пригодится и для схем с типичными электронными полупроводниковыми элементами, такими как диоды, транзисторы, тиристоры и т. д. В таких цепях также могут присутствовать типичные признаки неисправности: короткое замыкание, обрыв внутри элемента и повышенное его внутреннее сопротивление.

Если для выявления неисправности в электрической цепи мы используем замеры напряжения и хотим на основании полученных данных прийти к верному выводу, необходимо правильно проводить измерения напряжений. При этом должна учитываться точка, выбранная в качестве опорного или иначе базового потенциала.

Определение напряжения относительно опорного потенциала

Рисунок 31— Определение напряжения относительно опорного потенциала

На приведенной схеме входное напряжение Uвх=24В разделяется посредством делителя, выполненного на двух резисторах R1 и R2.

Если выбрать в качестве опорного потенциала для прибора Ml, измеряющего напряжение, соединение между двумя одинаковыми по величине сопротивлениями резисторов R1и R2 (рисунок 31), то у верхнего по схеме вывода резистоpa R1 будет положительное напряжение (+12 В), а у нижнего вывода резистора R2 — отрицательное напряжение (-12В). По другому обстоит дело, если в качестве опорной для измерительного прибора М2 выбирают нижнюю по схеме точку резистора. Тогда в средней соединительной точке резисторов и Т2 будет напряжение +12В, а в верхней точке схемы +24 В. Если в качестве опорного потенциала для измерительного прибора М3 выбрать верхнюю по схеме точку, тогда в средней точке измеренное напряжение будет составлять -12 В, а в нижней — 24В.

В электрических цепях проверка производиться при помощи мультиметра, например как указано на рисунке 32 проверка напряжения в розетке.

Проверка напряжения

Рисунок 32 — Проверка напряжения

При этом надо помнить, что в сети течёт переменный ток и прибор необходимо переключить на правильный режим работы.

21. Измерение мощности

Из выражения для мощности на постоянном токе Р = I*U видно, что ее можно измерить с помощью амперметра и вольтметра косвенным методом. Однако в этом случае необходимо производить одновременный отсчет по двум приборам и вычисления, усложняющие измерения и снижающие его точность.

Для измерения мощности в цепях постоянного и однофазного переменного тока применяют приборы, называемые ваттметрами, для которых используют электродинамические и ферродинамические измерительные механизмы.

Электродинамические ваттметры выпускают в виде переносных приборов высоких классов точности (0,1 — 0,5) и используют для точных измерений мощности постоянного и переменного тока на промышленной и повышенной частоте (до 5000 Гц). Ферродинамические ваттметры чаще всего встречаются в виде щитовых приборов относительно низкого класса точности (1,5-2,5).

Применяют такие ваттметры главным образом на переменном токе промышленной частоты. На постоянном токе они имеют значительную погрешность, обусловленную гистерезисом сердечников.

При измерении мощности, потребляемой нагрузкой, возможны две схемы включения ваттметра, отличающиеся включением его параллельной цепи (рисунок 33).

Для измерения мощности на высоких частотах применяют термоэлектрические и электронные ваттметры, представляющие собой магнитоэлектрический измерительный механизм, снабженный преобразователем активной мощности в постоянный ток. В преобразователе мощности осуществляется операция умножения u*i = р и получение сигнала на выходе, зависящего от произведения u*i, т. е. от мощности.

Схемы включения параллельной обмотки ваттметра

Рисунок 33 — Схемы включения параллельной обмотки ваттметра

У ваттметра имеются две пары зажимов (последовательной и параллельной цепей), и в зависимости от их включения в цепь направление отклонения указателя может быть различным. Для правильного включения ваттметра один из каждой пары зажимов обозначается знаком «*» (звездочка) и называется «генераторным зажимом».

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *