Основы электротехники и электроники Методы расчета цепей

Электронно-оптические приборы Индикаторные приборы служат для преобразования электрических сигналов в визуально воспринимаемую информацию. В зависимости от назначения индикаторные приборы могут иметь разную степень сложности и базироваться на различных физических принципах. В настоящее время для отображения знаковой информации наибольшее распространение получили электронно-лучевые, вакуумно-люминесцентные, газоразрядные, полупроводниковые и жидкокристаллические индикаторы.

Электронные приборы и устройства Возникновение электроники было подготовлено всем ходом развития промышленного производства и в частности электротехники. В цепи замечательных открытий и изобретений в этой области следует особо выделить такие достижения, как открытие явления термоэлектронной эмиссии (1887 г.), создание электровакуумного диода английским ученым Я. Флемингом (1904 г.) и триода Ли де Форестом в США в 1907 г. Эти изобретения позволили генерировать и усиливать электромагнитные колебания. Электроника – важнейшая отрасль науки и техники, изучающая физические процессы, происходящие в электровакуумных и полупроводниковых приборах при взаимодействии заряженных частиц и электрических полей, а также занимающаяся разработкой и созданием электронных приборов и устройств для измерения, контроля, обработки и хранения информации.

Полупроводниковые диоды В пограничном слое двух полупроводников с различным характером электропроводности при одном направлении тока дырки и электроны движутся навстречу друг другу, и при их встрече происходит рекомбинация. В цепи, таким образом, протекает ток

Тиристоры представляют собой кристаллическую структуру из четырех слоев чередующихся электронной и дырочной проводимостей  

Биполярные транзисторы Транзисторы являются управляемыми полупроводниковыми приборами, обеспечивающими усиление сигналов. По принципам действия их делят на управляемые электрическим током (биполярные) и управляемые электрическим полем (полевые).

Интегральные микросхемы Постоянное усложнение схем электронных устройств привело к существенному увеличению количества входящих в них элементов. В связи с этим возникает проблема все большей миниатюризации электронных приборов. Это стало возможным только на базе современного научно-технического направления электроники – микроэлектроники, основным принципом которой является объединение в одном сложном микроэлементе многих простейших – диодов, транзисторов, резисторов, конденсаторов и др

Полупроводниковые индикаторы Принцип действия полупроводникового индикатора основан на излучении квантов света при рекомбинации носителей заряда в области р-n – перехода, к которому приложено прямое напряжение. К полупроводниковым индикаторам относится светодиод – полупроводниковый диод, в котором предусмотрена возможность вывода светового излучения из области р-n – перехода сквозь прозрачное окно в корпусе. Цвет определяется материалом, из которого выполнен светодиод. Выпускают светодиоды красного, желтого и зеленого свечения.

Электрические цепи. Классификация. Основные понятия

Электрическая цепь (ЭЦ) - это совокупность соединенных друг с другом источников электрической энергии (ИЭЭ) и её приемников (нагрузок), по которым может протекать электрический ток или создаваться разность потенциалов.

ЭЦ предназначены для генерирования, передачи и распределения ЭЭ, а также для взаимных её преобразований в другие виды энергии.

Электрические процессы (ЭП) - процессы, описывающие изменение токов и напряжений в электрической цепи.

ЭП описываются следующими понятиями:

Электрический ток (ЭТ) - направленное движение электрических зарядов (направленное движение- движение с тенденцией, но не в полном порядке).

Изменение тока во времени имеет случайный характер.

Ток бывает:

постоянный ток - I=

Под постоянным током понимают среднее состояние тока.

переменный ток - I~

Переменный ток – отклонение тока относительно постоянной средней составляющей (значение тока равно значению отклонения).

Если I= - постоянная составляющая тока,

I~ - переменная составляющая тока,

то i(t)=I=+I~(t) - переменныё ток по стандарту

Если значение I~ значительно меньше I= (I~ не несет информации), то можно считать, что при подсоединении амперметра будет происходить усреднение.

Если в I~ содержится информация, но она незначительна, то возникает задача выделения I~ и доведения её до необходимого значения.

Положительное направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов.

ИЭЭ

ЭДС – работа сторонних сил иного характера, чем электричество, приводящая к тому, что отрицательно (‑) и положительно заряженные свободные носители заряда (СНЗ) разделяются. Численно равна силе, действующей на единичный + заряд.

F+=q+1E

F-=q-1E

ИЭЭ – разделяет по полярности заряды за счет действия сторонних сил.

Между пластинами возникает электрическое поле (ЭП), которое характеризуется E (напряженностью). ЭП оказывает на СНЗ в пространстве между пластинами, силы противоположны по направлению соответствующим сторонним силам.

E увеличивается (↑) до тех пор, пока силы поля не уравновесят сторонние силы – достигается состояние динамического равновесия. Это объясняется тем, что скорости СНЗ в среде между пластинами случайны как по значению, так и по направлению. Как внутри, так и снаружи объема устанавливается среднее значение E, а это значит, что между A и B разность потенциалов равна U.

Если между полюсами ИЭЭ нет среды с СНЗ, то силы поля ничего перемещать не будут, а значит, что ИЭЭ работает в режиме холостого хода (ХХ). Тока нет, источник энергию не отдает.

Если же СНЗ присутствуют, поле, которое существует, будет перемещать +СНЗ вниз, т.к. на них действует сила F+(т.к. внизу избыток ‑ ), а –СНЗ ‑ вверх. Это взывает недостаток зарядов соответствующего знака на пластинах, а значит напряженность поля ↓, силы противодействия ↓, что дает возможность восполнить недостаток за счет сторонних сил.

В силу природы проводника между пластинами будет разное сопротивление движению СНЗ, т.е. разное сопротивление ЭТ. Этот режим работы называется работой под нагрузкой.

Различают также режим короткого замыкания (КЗ).

A и B соединяются идеальным проводником (R=0). В этом случае внутреннего сопротивления нет. UAB КЗ=0. Этот режим на практике является аварийным режимом. Сопротивление перемычки очень мало, но конечно (≠0), Iкз – очень большое. P=I2R=IU – мощность, также имеет большое численное значение.

На практике режим КЗ устраивать нельзя! При анализе эквивалентных схем режим КЗ применяется, как метод исследования.

В режиме ХХ передачи энергии нет, т.к. при ХХ U=E, а I=0 → Pхх=UI=0.

Схемы замещения (эквивалентные схемы) реального ИЭЭ

Графическое изображение цепи с помощь. условных обозначений её элементов называется электрической принципиальной схемой.

По принципиальной схеме можно судить о принципе работы цепи, но выполнить её точный расчет нельзя, т.к. каждый элемент цепи, который должен реализовывать соответствующий элемент цепи (параметр), содержит ещё и паразитные элементы.

Резистор

идеальный элемент 

L – индуктивность и C – емкость являются паразитными элементами в реальном элементе

Катушка

Конденсатор

Принцип эквивалентности состоит в том, что при замене элемента цепи его эквивалентом оставшаяся цепь не должна ощутить замену, а это значит, что входной ток и входное напряжение между точками подключаемого элемента должны остаться неизменными.

Замечание:

Участок цепи на принципиальной схеме, изображенный просто линией, эквивалентен проводнику с активным сопротивлением, равным 0.

Rb,c=0 a и c, b и d имеют одинаковый потенциал

При пересечении линий на схеме электрический контакт обозначается точкой.

Схемы замещения ряда ИЭЭ

ИЭЭ бывают:

Гальванический элемент 

Источник термоЭДС 

Источник трехфазного тока 

Источник постоянного тока

Схемы замещения бывают:

с источником тока 

(при Rи=0 – потерь нет – идеальный источник тока)

с источником напряжения

(при Rи=∞ – потерь нет – идеальный источник напряжения)

Идеальный источник напряжения – это такой ИЭЭ, на полюсах которого напряжение не зависит от сопротивления нагрузки, кроме режима КЗ. У такого источника Rи=0.

Идеальный источник тока – это такой ИЭЭ, ток через полюса которого не зависит от сопротивления нагрузки, кроме режима ХХ. У этого источника Rи=∞.

С физической точки зрения реальный ИЭЭ может быть как идеальным источником напряжения, так и идеальным источником тока.

Реальный источник напряжения – это такой ИЭЭ, на полюсах которого напряжение практически не зависит от сопротивления нагрузки, кроме режима КЗ. У такого источника Rи<<Rн.

Реальный источник тока – это такой ИЭЭ, ток через полюса которого не зависит от сопротивления нагрузки, кроме режима ХХ. У этого источника Rи>>Rн.

Любой реальный ИЭЭ может быть представлен любой их двух схем замещения!

Два источника можно считать одинаковыми, если у них совпадают 2 из 3 параметров: Uхх – напряжение холостого хода, Iкз – ток короткого замыкания, r – внутреннее сопротивление источника.

 б)

Устроим режим КЗ на схеме а):

Iкз = Е/Rи

Iхх = 0 → Uabхх = Е, UR = 0

Для схемы б) Iкз = I, т.к. через резистор Rи ток не идет.

Таким образом обе схемы можно применять.

ИЭЭ характеризуется нагрузочной (или внешней характеристикой) U=f1(Iн) – зависимость напряжения на полюсах источника от тока нагрузки.

При ↓Rи ↑I → ↑URи → ↓Uн=E-URи

Энергетический баланс ЭЦ

Для простоты будем считать, что вся энергия, отданная источником, превращается в тепло. Это значит, что ИЭЭ отдает в нагрузку некоторую мощность.

Мощность, отданная источником: Pн = EI = Pвн + Pн=I2 Rвн+I2 Rн

Исследуя Pн на экстремум, получаем, что максимальная передача энергии в нагрузку будет осуществляться при Rвн=Rн (режим согласования по мощности) → чем больше Rн, тем больше η.

Архитектура и скульптура Европы Декоративно-прикладное искусство Искусство России XVIII века