🗊Презентация Электрические цепи постоянного тока

Электротехника Тема №1: Электрические цепи постоянного тока. Основные понятия и определения. Элементы электрической цепи и её топология. Классификация цепей.. Законы Ома и Кирхгофа. Мощность цепи постоянного тока. Баланс мощностей. Схемы замещения источников энергии и их взаимные преобразования

Основные понятия и определения. Электрическим током называется направленное упорядоченное движение электрических зарядов. Электрической цепью называется совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электрическом токе, ЭДС (электродвижущая сила) и электрическом напряжении.

Пример электрической цепи

Источник электрической энергии Источником электрической энергии (питания) называется устройство, преобразующее какой-либо вид энергии в электрическую. Источники, в которых происходит преобразование неэлектрической энергии в электрическую, называются первичными источниками. Вторичные источники – это такие источники, у которых и на входе, и на выходе – электрическая энергия (например, выпрямительные устройства).

Потребители электрической энергии Потребителями электрической энергии называются устройства, преобразующие электроэнергию в другие виды энергии (например, нагревательный прибор). Иногда потребители называют нагрузкой. Вспомогательные элементы цепи: соединительные провода, коммутационная аппаратура, аппаратура защиты, измерительные приборы и т.д., без которых реальная цепь не работает.

Постоянный электрический ток Постоянным электрическим током называется ток, который с течением времени не меняет величину и направление. Силой тока называется количество электричества, протекающее через поперечное сечение проводника в единицу времени: где: Q - количество электричества, Кл. t - время, с

Пример электрической цепи, представленной с использованием УГО

Элементы электрической цепи и её топология Ветвь электрической цепи (схемы) – участок цепи с одним и тем же током. Ветвь может состоять из одного или нескольких последовательно соединенных элементов. Схема на рис. 1.2 имеет три ветви: ветвь bma, в которую включены элементы r0,E,R и в которой возникает ток I; ветвь ab с элементом R1 и током I1; ветвь anb с элементом R2 и током I2. Узел электрической цепи (схемы) – место соединения трех и более ветвей. В схеме на рис. 1.2 – два узла a и b. Ветви, присоединенные к одной паре узлов, называют параллельными. Сопротивления R1 и R2(рис. 1.2) находятся в параллельных ветвях. Контур – любой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям. В схеме на рис. 1.2 можно выделить три контура: I – bmab; II – anba; III – manbm, на схеме стрелкой показывают направление обхода контура.

Выбор направлений E, U, I Условные положительные направления ЭДС источников питания, токов во всех ветвях, напряжений между узлами и на зажимах элементов цепи необходимо задать для правильной записи уравнений, описывающих процессы в электрической цепи или ее элементах. На схеме (рис. 1.2) стрелками укажем положительные направления ЭДС, напряжений и токов: а) для ЭДС источников – произвольно, но при этом следует учитывать, что полюс (зажим источника), к которому направлена стрелка, имеет более высокий потенциал по отношению к другому полюсу; б) для токов в ветвях, содержащих источники ЭДС – совпадающими с направлением ЭДС; во всех других ветвях произвольно; в) для напряжений – совпадающими с направлением тока в ветви или элемента цепи.

Линейные и нелинейные электрические цепи Элемент электрической цепи, параметры которого (сопротивление и др.) не зависят от тока в нем, называют линейным, например электропечь. Нелинейный элемент, например лампа накаливания, имеет сопротивление, величина которого увеличивается при повышении напряжения, а следовательно и тока, подводимого к лампочке. Следовательно, в линейной электрической цепи все элементы – линейные, а нелинейной называют электрическую цепь, содержащую хотя бы один нелинейный элемент.

Классификация цепей

Основные законы цепей постоянного тока  Закон Ома для участка цепи стка цепи

Основные законы цепей постоянного тока 

Основные законы цепей постоянного тока  Первый закон Кирхгофа - алгебраическая сумма всех токов, сходящихся в узле равна нулю.

Основные законы цепей постоянного тока Второй закон Кирхгофа - в любом контуре электрической цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме падений напряжений в отдельных сопротивлениях. Данный закон применим к любому замкнутому контуру электрической цепи.

Электрическая энергия и мощность источника питания В действующей цепи электрическая энергия источника питания преобразуется в другие виды энергии. На участке цепи с сопротивлением R в течение времени t при токе I расходуется электрическая энергия

Баланс мощностей. Из закона сохранения энергии следует, что мощность источников питания в любой момент времени равна сумме мощностей, расходуемой на всех участках цепи.

Баланс мощностей. При составлении уравнения баланса мощностей следует учесть, что если действительные направления ЭДС и тока источника совпадают, то источник ЭДС работает в режиме источника питания, и произведение E I подставляют в (1.8) со знаком плюс. Если не совпадают, то источник ЭДС работает в режиме потребителя электрической энергии, и произведение E I подставляют в (1.8) со знаком минус. Для цепи, показанной на рис. 1.2 уравнение баланса мощностей запишется в виде:

Электрическая цепь с последовательным соединением элементов

Электрическая цепь с параллельным соединением элементов

Схемы замещения источников энергии и их взаимные преобразования Последовательное включение источников ЭДС

Схемы замещения источников энергии и их взаимные преобразования Параллельное соединении источников ЭДС

Параллельное соединении источников ЭДС Как видно, при параллельном соединении источников ток и мощность внешней цепи равны соответственно сумме токов и мощностей источников. Параллельное соединение источников применяется в первую очередь тогда, когда номинальные ток и мощность одного источника недостаточны для питания потребителей. На параллельную работу включают обычно источники с одинаковыми ЭДС, мощностями и внутренними сопротивлениями.

Источник ЭДС и источник тока в электрических цепях

Зависимость напряжения для источника ЭДС

Преобразование источника эдс в источник тока

Зависимость тока от напряжения, приложенного к нагрузке.

Зависимость тока от напряжения, приложенного к нагрузке.

Электротехника Тема 2 Переменный ток – ПК-3. Тема №1: Электрические цепи синусоидального тока. 2 часа Получение синусоидальной электродвижущей силы (ЭДС). Основные параметры и способы представления синусоидальных ЭДС, напряжений и токов. Среднее и действующее значения синусоидальных величин. Мощности цепи синусоидального тока. Коэффициент мощности цепи. Комплексный метод расчёта цепей синусоидального тока. Резонансные явления в линейных электрических цепях синусоидального тока. Электрические цепи с взаимной индуктивностью. Воздушный трансформатор. Двухполюсники и четырёхполюсники. Режимы работы четырёхполюсника (трансформатора).

Преимущества переменного тока Поддастся трансформации, отсюда возможность передачи на большие расстояния. Производство переменного тока просто и рационально. Потребитель при переменном токе легче решает вопросы преобразования электрической энергии в механическую. Преимущества синусоидальной формы кривых тока и напряжения перед другими периодическими формами: форма кривых после трансформации не меняется; величины меняются плавно, нет перенапряжений, толчков тока, которые недопустимы в энергетике. Литература: Яцкевич Электротехника, Иванова ТОЭ

Цепи однофазного синусоидального тока. Способы представления синусоидальных величин Основные соотношения в цепи синусоидального тока.

Способы представления синусоидальных величин

Цепи однофазного синусоидального тока. Основные соотношения в цепи синусоидального тока. f = 50 Гц, T = 0.02 c f = 1 / T Синусоидальный ток. Если кривая изменения периодического тока описывается синусоидой или косинусоидой (см. рис.), то такой ток называют синусоидальным током

Изображение тригонометрическими функциями. Мгновенные значения электрических величин являются синусоидальными функциями времени:

угловая циклическая частота, определяющая скорость изменения фазы;

ψ – начальная фаза Начальная фаза может быть положительной и отрицательной. У синусоиды, изображенной на слайде №3, начальная фаза ψ = 0 Положительную начальную фазу откладывают влево от начала координат (см. ток i1 на рис. 5.2), отрицательную – вправо (см. ток i2 на рис. 5.2).

Цепи однофазного синусоидального тока. Обозначения: Мгновенные значения: i, u, e, p; Амплитудные значения: Im, Um, E m, P m; Действующие значения: I, U, E, P.

Получение синусоидальных эдс и тока

Получение синусоидальных эдс и тока

Получение синусоидальных эдс и тока

Получение синусоидальных эдс и тока

Получение синусоидальных эдс и тока При всяком изменении магнитного потока через проводящий контур в этом контуре возникает электрический ток. В этом и заключается один из важнейших законов природы — закон электромагнитной индукции, открытый Фарадеем в 1831 г. Правило Ленца. Индукционный ток всегда имеет такое направление, при котором его магнитное поле уменьшает (компенсирует) изменение магнитного потока, являющееся причиной возникновения этого тока.

Получение синусоидальных эдс и тока Правило Ленца

Получение синусоидальных эдс и тока

Действующее значение переменного тока Действующим значением переменного тока называется такой постоянный ток, который на одинаковом сопротивлении R за время, равное одному периоду, выделяет такое же количество тепла, что и данный переменный ток за то же время. Действующие значения обозначают большими буквами без индексов: I, U, Е.

Действующее значение переменного тока

Действующее значение переменного тока

Действующее значение переменного тока

Среднее значение синусоидального тока Под средним значением синусоидальных токов понимают их средние значения за полпериода. Если ток i=lm sin ωt, то его среднее значение за полпериода

Активные и реактивные элементы в цепи синусоидального тока Цепь с активным сопротивлением. По закону Ома мгновенное значение тока i=u/R=(Umsin(ωt)/R = Im sin ωt, где Im = Um/R — амплитуда тока. Разделив амплитудные значения тока и напряжения √2, найдем, что действующее значение тока равно действующему значению напряжения, деленному на активное сопротивление: I = U/R

Цепь с активным сопротивлением

Активные и реактивные элементы в цепи синусоидального тока Исходные понятия: Индуктивный элемент (или L-элемент), который учитывает только запасённую энергию магнитного поля при протекании тока, описывается вебер-амперной характеристикой:

Индуктивный элемент

Активные и реактивные элементы в цепи синусоидального тока Емкостный элемент (или С-элемент), который учитывает только запасённую энергию электрического поля, описывается кулон-вольтной характеристикой: q = Сис, где q — заряд в кулонах (Кл), С— емкость в фарадах (Ф), ис — напряжение в вольтах (В).

Емкостный элемент

Активные и реактивные элементы в цепи синусоидального тока

Активные и реактивные элементы в цепи синусоидального тока

Положительная и отрицательная мощность

Мгновенная мощность в цепи с активным сопротивлением

Мгновенная мощность в цепи с индуктивным сопротивлением

Мгновенная мощность в цепи с емкостным сопротивлением

Сравнительный анализ изменения мощности на индуктивности и на ёмкости

Мгновенная мощность в цепи со смешанным (преимущественно индуктивным) сопротивлением

Активные и реактивные элементы в цепи синусоидального тока Подставим в это уравнение значения напряжений, выраженные по закону Ома:

Закон Ома в комплексной форме

Построение векторной диаграммы

Треугольник сопротивлений

Треугольник мощностей

Мощности Реактивная мощность:

Мощности

Основные формулы Активное сопротивление

Основные формулы Индуктивность

Основные формулы Индуктивность

Основные формулы Емкость

Основные формулы цепи со смешанным (преимущественно индуктивным) сопротивлением

Основные формулы цепи со смешанным (преимущественно индуктивным) сопротивлением

Основные формулы цепи со смешанным (преимущественно индуктивным) сопротивлением

Основные формулы цепи со смешанным (преимущественно индуктивным) сопротивлением

Резонанс напряжений

Резонанс токов

Электротехника Тема №3: Трёхфазная цепь Получение системы трёхфазных ЭДС. Способы соединения фаз трёхфазных источников и приемников электрической энергии. Измерение мощности и энергии трёхфазной цепи.

Трехфазные электрические цепи.

Рабочая часть обмотки

Обмотка укладывается в пазы и занимает некоторый сектор

Определения Фазные и линейные величины. Величины, относящиеся к одной фазе (рис. 10-5), получили название фазных: фазные эдс Еa, Ев, Ес; фазные токи I а, I в, I с; фазные напряжения U а, U в, U с. * Термин «фаза» в электротехнике имеет два значения: фаза — аргумент синусоидальной функции ωt и фаза — отдельная цепь трехфазной цепи. Обмотки генератора также называют фазами.

Определения Напряжения между линейными проводами называются линейными: U a в, U в с, U с а. Токи в линейных проводах — линейные токи. Токи в фазах генератора и фазах приемника сохранили название фазных токов. Из рис. 10-5 видно, что фазный ток является и линейным током.

Симметричная система ЭДС Симметричная система ЭДС – это три синусоиды, сдвинутые относительно друг друга по фазе на угол 120° . Принято считать, что начальная фаза ЭДС фазы А равна нулю, ЭДС фазы В отстает от ЭДС фазы А на 120°, ЭДС фазы С отстает от ЭДС фазы В на 120° .

Временные зависимости

Представление комплексными числами

Условное изображение фаз обмоток генератора и их разметка представлены на рис.

Трехфазная система ЭДС для мгновенных значений

Способы соединения фаз обмоток генератора. Соединение звездой Соединение треугольником

Соотношение между линейным и фазным напряжением при соединении источника звездой

Соединение «звезда – звезда» с нейтральным проводом

Соединение звезда – звезда без нейтрального провода.

звезда – звезда Несимметричный режим без нулевого провода Линейные напряжения Uab, Ubc, Uca остаются неизменными при любой нагрузке, так как клеммы приемника соединены с началами фаз генератора А, В, С. При неравномерной нагрузке фаз, Za ≠Zb ≠ Zc. В результате сместится точка n, т.е. будут нарушены фазные напряжения. При несимметричных нагрузках возникает несимметричность фазных напряжений (перекос напряжений), нарушается нормальная работа приемников.

Соединение нагрузки треугольником

Соединение нагрузки треугольником

В несимметричной системе фазные токи

В несимметричной системе

Для симметричной нагрузки

Реактивная мощность фазы

Тема 2. Трёхфазная цепь (продолжение) Вращающееся магнитное поле. Принцип действия асинхронных двигателей.

Вращающееся магнитное поле

Вращающееся магнитное поле Касаткин

Вращающееся магнитное поле

Вращающееся магнитное поле

Магнитная индукция поля статора

Как изменить направление вращения магнитного поля статора Чтобы изменить направление вращения магнитного поля статора, достаточно изменить порядок подключения двух любых фазных обмоток асинхронной машины к трехфазному источнику электрической энергии, например как показано на рис. 14.8, б штриховой линией

Принцип действия асинхронного двигателя

Принцип действия асинхронного двигателя Расположим во вращающемся магнитном поле укрепленный на оси замкнутый виток провода (рис. 18-2). Согласно закону электромагнитной индукции, в витке будет индуктироваться эдс (e=Blv). Направление тока в витке, вызванного этой эдс, определим по правилу правой руки. Согласно закону Ампера, на проводник с током в магнитном поле действует сила F = BIl. Направление силы определим по правилу левой руки — она направлена в сторону вращения магнитного поля. Частота вращения витка п2 не может достигнуть частоты вращения магнитного поля пх. Если бы это случилось (п2 стала равной П1), то виток оказался бы неподвижным относительно магнитного поля, его стороны перестали бы пересекаться магнитными силовыми линиями, исчезли бы эдс и ток в витке и, следовательно, сила F=BIl стала равной нулю — исчезла бы причина, заставляющая виток вращаться. Поэтому всегда n2<n1 Короткозамкнутый виток и магнитное поле вращаются с разной частотой. Такое вращение получило название несинхронного, или асинхронного вращения. Оно лежит в основе принципа действия асинхронного двигателя.

Принцип действия асинхронного двигателя

Электроника Пассивные элементы электронных схем

Полупроводниковые элементы Электронно-дырочный переход Москатов Е.А. Transend/Электроника лекции для ЗО/WWW/grz.ru Собственная проводимость полупроводников. Собственным полупроводником, или же полупроводником i-типа называется идеально химически чистый полупроводник с однородной кристаллической решёткой.

Электронно-дырочный переход

Электронно-дырочный переход

Односторонняя проводимость p-n перехода

Электронно-дырочный (p-n) переход Образование электронно-дырочного перехода Прямое и обратное включение p-n перехода Свойства p-n перехода При сплавлении полупроводников различных типов на стыке создается область, которая называется электронно-дырочным переходом или р-п переходом. Марченко Ширина p-n перехода – десятые доли микрона. На границе раздела возникает внутреннее электрическое поле p-n перехода, которое будет тормозящим для основных носителей заряда и будет их отбрасывать от границы раздела.

Распределение потенциала в p-n переходе Джонс

Прямое включение

Обратное включение

Свойства p-n перехода К основным свойствам p-n перехода относятся: свойство односторонней проводимости; температурные свойства p-n перехода; частотные свойства p-n перехода; пробой p-n перехода.

Диоды и их свойства Марченко Полупроводниковым диодом называют прибор с одним р-n переходом, имеющим два вывода: анод А и катод К (рис. 1.3).

Устройство, классификация и основные параметры полупроводниковых диодов Классификация диодов производится по следующим признакам: 1] По конструкции: плоскостные диоды; точечные диоды; микросплавные диоды. 2] По мощности: маломощные; средней мощности; мощные. 3] По частоте: низкочастотные; высокочастотные; СВЧ. 4] По функциональному назначению: выпрямительные диоды; импульсные диоды; стабилитроны; варикапы; светодиоды; тоннельные диоды и так далее.

Маркировка Новый ГОСТ на маркировку диодов состоит из 4 обозначений: К С -156 А Г Д -507 Б I II III IV Рис. 26 I – показывает материал полупроводника: Г (1) – германий; К (2) – кремний; А (3) – арсенид галлия. II – тип полупроводникового диода: Д – выпрямительные, ВЧ и импульсные диоды; А – диоды СВЧ; C – стабилитроны; В – варикапы; И – туннельные диоды; Ф – фотодиоды; Л – светодиоды; Ц – выпрямительные столбы и блоки. III – три цифры – группа диодов по своим электрическим параметрам: 101-399 выпрямительные; 401-499 ВЧ диоды; 501-599 импульсные IV – модификация диодов в данной (третьей) группе.

Условно-графическое обозначение

Устройство плоскостных диодов

Устройство точечных диодов

Транзисторы Биполярные транзисторы Классификация и маркировка транзисторов. Транзистором называется полупроводниковый преобразовательный прибор, имеющий не менее трёх выводов и способный усиливать мощность. Классификация транзисторов производится по следующим признакам: По материалу полупроводника – обычно германиевые или кремниевые; По типу проводимости областей (только биполярные транзисторы): с прямой проводимостью (p-n-p - структура) или с обратной проводимостью (n-p-n - структура); По принципу действия транзисторы подразделяются на биполярные и полевые (униполярные); По частотным свойствам; По мощности. Маломощные транзисторы ММ (<0,3 Вт), средней мощности СрМ (0,3-3 Вт), мощные (>3 Вт).

Маркировка транзисторов

Устройство биполярных транзисторов

Устройство биполярных транзисторов

Принцип действия биполярных транзисторов.

Принцип действия биполярных транзисторов.

Вольт-амперные характеристики биполярных транзисторов Марченко Транзистор может работать на постоянном токе, малом переменном сигнале, большом переменном сигнале и в ключевом (импульсном) режиме.

Схемы включения биполярных транзисторов Марченко

Усилительные свойства биполярного транзистора.. Усилительные свойства биполярного транзистора. Независимо от схемы включения, транзистор характеризуется тремя коэффициентами усиления: KI = Iвых / Iвх – по току; KU = Uвых / Uвх = (Iвых ∙ Rн) / (Iвх ∙ Rвх) = KI ∙ Rн / Rвх – по напряжению; KP = Pвых / Pвх = (Uвых ∙ Iвых) / (Uвх ∙ Iвх) = KI∙KU – по мощности.

Полевые транзисторы Полевой транзистор — это полупроводниковый прибор, в котором ток стока (С) через полупроводниковый канал п или ртипа управляется электрическим полем, возникающим при приложении напряжения между затвором (З) и истоком (И)

Принцип действия полевого транзистора Джонс

МОП – транзистор Джонс

Применение транзисторов На базе транзисторов можно строить аналоговые и цифровые устройства. Аналоговый сигнал представляет собой непрерывную функцию, с неограниченным числом значений в различные моменты времени усилители - это устройства, которые за счёт энергии источника питания формируют новый сигнал, являющийся по форме более или менее точной копией заданного, но превосходит его по току, напряжению или по мощности. Преобразователи электрических сигналов (активные устройства аналоговой обработки сигналов) - выполняются на базе усилителей, либо путем непосредственного применения последних со специальными цепями обратных связей, либо путем некоторого их видоизменения. Сюда относят устройства суммирования, вычитания, логарифмирования, антилогарифмирования, фильтрации, детектирования, перемножения, деления, сравнения и др. Википедея

Усилители постоянного и переменного тока Усилители  постоянного тока  представляют собой усилители с непосредственной (гальванической) связью между каскадами. Они позволяют усиливать сигналы постоянного тока.   Основной элементной базой для создания усилителей с непосредственной связью являются линейные интегральные схемы – операционные усилители.  Усилители переменного тока строятся либо по схеме усилителей с непосредственной связью, либо с резистивно-емкостной или реже с взаимно индуктивной связью.

Операционные усилители Операционный усилитель и его особенности. К операционным уси­лителям относят унифицированные многокаскадные усилители, которые выполнены в виде интегральных схем и обладают следующими основ­ными свойствами: => имеют два входа и один выход. При этом один из входов является прямым, другой — инверсным. Увеличение напряжения на прямом входе усилителя вызывает увеличение выходного напряжения, а уве­личение напряжения на инверсном выходе — уменьшение. При пода­че на оба входа усилителя нулевого напряжения его выходное напря­жение практически равно нулю. Благодаря этому ОУ имеет симмет­ричную амплитудную характеристику; => имеют два вывода для подключения напряжения питания. Обычно напряжения питания симметричны, например, ±6 В. Реже встречаются несимметричные напряжения питания (например +12 и -6 В). Кроме этого ОУ имеют вспомогательные (не несущие функциональной на­грузки) выводы с метками FC — для присоединения цепей, корректи­рующих АЧХ ОУ, и с метками NC — для балансировки ОУ (установ­ки нуля на выходе); => обладают очень большим коэффициентом усиления (порядка 105...10 ), высоким входным (от сотен килоом до сотен мегаом) и ма­лым выходным (от единиц до нескольких сотен ом) сопротивлением, широкой полосой частот (от 0 до десятка мегагерц), низким уровнем шума и хорошей температурной стабильностью.

Сумматор и вычитатель на ОУ

Нелинейные функциональные узлы на ОУ