Цуркин А.П., Мосолов Д.Н. Учебное пособие по курсу электротехники и электроники

Подождите немного. Документ загружается.

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Московский государственный университет экономики,

статистики и информатики

Проф. Цуркин А.П.

Преподаватель Мосолов Д.Н.

Каф.АСОИиУ

Учебное пособие по курсу

Электротехники и

электроники

Москва 2008г.

Содержание:

Тема №1. Введение

Тема №2. Электрическое поле. Электрические цепи постоянного тока

Тема №3. Магнитное поле. Магнитные цепи. Индуктивность и ёмкость в

электрических цепях

Тема №4. Однофазные электрические цепи синусоидального тока

Тема №5. Общие свойства четырёхполюсников

Тема №6. Переходные процессы в электрических цепях

Тема №7. Методы расчётов переходных процессов

Тема №8. Трёхфазные электрические цепи

Тема №9. Периодические и апериодические несинусоидальные сигналы

Тема №10. Расчёт электрических цепей с помощью оператора Лапласа

Тема №11. Основы теории электромагнитного поля

Тема 12. Основы теории электронных приборов

Тема 13. Транзисторные усилители электрических сигналов

Тема 14. Аналоговые и цифровые элементы и устройства

Тема 15. Комбинационные цифровые устройства

Тема 16. Источники вторичные питания Генераторы

Раздел 1-ЭЛЕКТРОТЕХНИКА.

Тема №1.

Введение.

Целью курса по "Электротехнике и электронике" является овладение основами

теоретических и практических знаний в области электротехники и электроники.

Без знания основных законов электротехники и электроники, принципов работы

электротехнических устройств и электронных приборов невозможно овладеть избранной

профессией и стать полноценным инженером. Помимо того, следует иметь в виду, что

электротехника и электроника являются теоретической базой для ряда других дисциплин, а

именно автоматики, вычислительной техники, технологического оборудования и т. п.

Теоретические методы, которые разработаны в электротехнике иэлектронике с успехом

применяются и в других инженерных дисциплинах.

Основные задачи курса заключается в освоении базовых понятий, определений и

методов в области электротехники и электронике, которые обеспечивали бы успешное

освоение специальных электротехнических дисциплин и дисциплин по элетронике на

последующих стадиях обучения.

Схематическое проектирование электронных устройств.

Развитие электроники и повышение сложности электронных устройств привело к

необходимости моделирования или проектирования электронных устройств привело к

необходимости моделирования или проектирования электронных устройств. Современные

технологии позволяют проверить изучение электронных устройств по следующей схеме:

 Предварительный расчёт явлений и электрических схем с заданными

параметрами;

 Компьютерное моделирование изучаемых явлений и электрических схем;

 Сравнительный анализ результатов расчётов и моделирования с результатами

измерений на фактических макетах. Это позволяет студентам глубже усваивать

теоретический материал и получать необходимые практические навыки

работы с измерительной аппаратурой.

В представленной работе рассматриваются вопросы компьютерного моделирования,

физических опытов и электрических схем, их преимущества и недостатки.

Развитие программного обеспечения персонального компьютера применительно к

анализу изучаемых явлений и электрических схем создало приемлемую альтернативу

учебной лаборатории – виртуальную электронную лабораторию, которая является

программой численного расчёта схем с интерфейсом, имитирующим деятельность

исследователя в реальной лаборатории. Причём моделированием схем на персональных

компьютерах по сравнению с экспериментальными исследованиями реальных схем

обладают преимуществами: не требуются измерительные приборы и макеты исследуемых

схем; погрешность исследования схем путём моделирования на компьютере можно сделать

достаточно малой; врем, затрачиваемое на компьютерное моделирование, несравненно

меньше времени, расходуемого на изготовление макета и выполнение экспериментального

исследования. Но есть и ряд недостатков: в моделях не учитываются некоторые реально

существующие параметры элементов схем; внутренние сопротивления и проводимости

источников; собственные индуктивности и ёмкости реальных регистров; потери в катушках

индуктивности и конденсаторах и др.

На данный момент существует большое число программ моделирования электронных

схем: Micro-capV, Design Center 6.2, P-spice A/D, APLAC 7.0. Некоторые из них требуют

большое число программ предварительной подготовки и наличия специальных заданий. Для

учебных целей необходима такая программа, в которой исследователь мог бы выполнить

такие операции, как сборка электрической схемы, подключение к ней измерительных

приборов, задание параметров генераторов входных воздействий и установить режимы

работы на панелях измерительных приборов, получить результаты измерений в привычной

для него форме. Такие возможности представляет наиболее доступная программа Electronics

Workbench (EWB) – виртуальная электронная лаборатория на компьютере. В настоящее

время широкое распространение получила версия EWB 5.0, которая работает в среде

Windows 95/98 и NT 3.51, с объёмом дисковой памяти примерно 16 Мбайт.

Программа EWB располагает широким набором виртуальных элементов

электрических схем, которые представлены в виде условных обозначений и обладает

основными свойствами реальных физических элементов, используя эти элементы можно

«собрать» на экране ПК необходимую виртуальную электрическую схему, провести её

полный анализ и выполнить требуемые расчёты. Однако, методически неправильно

подменять экспериментальные лабораторные работы – виртуальными. Инновационные

технологии (компьютерное моделирование) позволяют только более широко пополнять

знания студентов о действительных элементах и устройствах, а также о их физических

свойствах.

Электрические цепи и их классификации.

Простейшая электрическая цепь состоит из источника, приемника и проводников

электрической энергии. Эти элементы условно называют основными. Происходящие в

электрических цепях процессы могут быть описаны с помощью понятий ЭДС, напряжение и

сила эл. тока.

Источник эл. энергии преобразует другие виды энергии в электрическую. Сюда

относят различные виды генераторов, аккумуляторы и др.

Приемник эл. энергии преобразуется эл. энергии в иные виды энергии. Сюда относя

различные электробытовые приборы, инструменты и т. п.

Проводниками называют устройства для передачи эл. энергии от источника к

потребителю. Как правило, это провода, кабели и др.

Часто в эл. цепях содержатся вспомогательные элементы, такие как измерительные

приборы, приборы коммутации и т. п.

В электрической цепи различают два участка: внутренний и внешний. Источник

является внутренним участком цепи. Все остальные элементы относятся к внешним

участкам электрической цепи.

Электрические цепи записывают в виде схем, на которых показываются основные и

вспомогательные элементы и их соединения. Наиболее распространены три вида схем:

монтажные, принципиальные и замещения.

На монтажных схемах элементы цепи и их соединение показываются в виде рисунков

или эскиза. Эта схема часто используется при соединении кабелей и проводов приборов или

установок.

Принципиальная схема определяет состав элементов входящих цепь и связь между

этими элементами. С помощью принципиальной схемы получают детальное представление о

принципах работы электрического изделия, установки.

Схема замещения — это схема, в которой реальные объекты и устройства

замещаются идеализированными моделями. Эти схемы используют для облегчения

расчетов. В схеме замещения электрические соединения между элементами такое же, как и в

принципиальной схеме.

Все элементы эл. цепи на схемах указывают с помощью условных обозначений

(исключение составляют монтажные схемы). Условные обозначения для электрических схем

установлены стандартами системы ЕСКД. Условные обозначения некоторых основных

элементов эл. цепи и приборов измерения приведены в табл. 1.

Линейные и нелинейные элементы цепи.

Элементы электрической цепи делятся на линейные и нелинейные, в зависимости от

их вольт-амперной характеристики. Вольт-амперная характеристика - это зависимость

напряжения на зажимах элемента от тока в нем.

Если сопротивление R элемента не зависит от тока в нем, то такой элемент называют

линейным, а его вольт-амперная характеристика представляет собой прямую линию.

Электрическая цепь, содержащая только линейные элементы, называется линейной.

Если сопротивление R элемента зависит от тока в нем, то такой элемент называют

нелинейным, а его вольт-амперная характеристика носит нелинейный характер.

Электрическая цепь, содержащая хотя бы один нелинейный элемент, называется

нелинейной.

Простые и сложные цепи.

Цепи бывают простые и сложные.

Простыми электрическими цепями называют цепи, содержащие одни источник

энергии. Цепь, содержащая два и более источника, называется сложной. Кроме того участок

цепи, содержащий источник электрической энергии, принято называть активным А, не

содержащий — пассивным П.

Участок электрической цепи, по которому проходит ток одного и того же значения и

направления, называют ветвью.

Место соединения трех и более ветвей называют узлом. Узел электрической цепи на

схеме отмечают жирной точкой. Если на схеме место скрещивания ветвей точкой не

отмечено, это означает, что электрического соединения между ними в месте их пересечения

нет.

Замкнутую электрическую цепь, образуемую одной или несколькими ветвями,

называют контуром. Контур, внутри которого не лежат другие ветви, связывающие между

собой его узлы, называют простыми.

Тема №2.Электрическое поле.Электрические цепи постоянного тока.

Напряженность и потенциал электрического поля.

Электрическое поле — это особый вид материи, существующий вокруг заряженных

тел или заряда.

Силовой характеристикой электрического поля является напряженность.

Обозначается напряженность

, измеряется в В/м. Напряженность каждой точки

электрического поля характеризуется силой, с которой поле действует на единицу заряда,

помещенного в эту точку и определяется по формуле:

E 

(1.1)

Е – напряженность электрического поля, F – сила действующая на заряд, q –

электрический заряд.

Направление вектора напряженности в любой точке электрического поля совпадает с

направлением силы, действующей заряд.

Напряженность является параметром каждой точки электрическою поля и не зависит

от величины от заряда q.

Напряженность электрического поля, созданного несколькими зарядами в какой-либо

точке этого поля, определяется геометрической суммой напряженностей, созданных в этой

точке каждым точечным зарядом:

EEEE  ...

Для наглядности электрическое поле изображают силовыми линиями. Силовые линии

направлены от положительного заряда к отрицательному. Линия проводится так, чтобы

вектор напряженности поля в данной точке являлся касательной к ней (рис.).

Электрическое поле называют однородным, если напряженность его во всех точках

одинакова по величине и направлению. Однородное электрическое поле изображается

параллельными линиями, расположенными на одинаковом расстоянии друг от друга.

Для энергетической характеристики каждой точки электрического поля вводится

понятие «потенциал». Обозначается потенциал буквой



, измеряется в вольтах (В).

Электрический потенциал – работа, которую нужно выполнить, чтобы перенести

единицу заряда (1Кл) из данной точки в бесконечность или





(1.2).

Потенциал — скалярная величина. Если электрическое поле создано несколькими

зарядами, то потенциал в каждой точке поля определяется алгебраической суммой

потенциалов, созданных в этой точке каждым зарядом.

Заряд перемещается из точки с большим потенциалом в точку с меньшим

потенциалом. Между двумя точками с равными потенциалами заряд перемещаться не будет.

Для перемещения заряда между двумя точками электрического поля должна быть разность

потенциалов в этих точках.

Разность потенциалов между двумя точками характеризует напряжение



U

(1.3).

Кроме того, напряжение между двумя точками электрического поля характеризуется

энергией, затраченной на перемещение единицы положительного заряда между этими

точками, т. е.

U 

(1.4).

Между напряжением и напряженностью в однородном электрическом поле (рис.)

существует зависимость







(1.5).

Отсюда видно, что напряжение - это работа, затрачиваемая на перенос единицы

заряда (1Кл) из точки 1 в точку 2 поля напряженностью



по произвольному пути.

В общем случае для неоднородного электрического поля значение напряжения

определяется





dlEU



(1.6).

Постоянный электрический ток.

Явление направленного движения свободных носителей электрического заряда в

веществе или вакууме называется электрическим током.

Условиями возникновения электрического тока являются: 1) наличие источника

электрической энергии; 2) замкнутость пути, по которому перемещаются заряды.

Обозначается величина постоянного тока буквой I. Измеряется ток в амперах, т.е. А

(ампер). Величина тока I определяется количеством электричества (зарядов) q, проходящим

через поперечное сечение проводника в единицу времени t:





(1.7).

Постоянным называется ток, величина и направление которого не изменяется с

течением времени.

За направление постоянного тока в замкнутой электрической цепи принимается

направление от положительного полюса источника к его отрицательному полюсу по

внешнему участку цепи, т. е. от «+» к «-».

Силу электрического тока измеряют с помощью амперметра. Амперметр включается

в цепь последовательно. Причем в цепях постоянного тока клемма со знаком «+»

подключается в направлении положительного полюса источника энергии, а клемма со

знаком «–» в сторону отрицательного полюса источника энергии.

На практике вместо силы тока, часто используют плотность. Обозначается плотность

тока буквой J. Отношение величины тока в проводнике I к площади его поперечного

сечения S характеризует плотность тока в этом проводнике.

J 

(1.8).

Единицей измерения плотности тока является А/м

. Так как площадь сечения

проводов выражают в мм

, то плотность тока выражают и в А/мм

Электродвижущая сила (ЭДС).

Электрическую энергию можно получить из других видов энергии при наличии

сторонней силы. Сторонние силы – это любые силы неэлектростатистического

происхождения.

Величина, характеризующая способность сторонних сил вызывать электрический ток,

называется электродвижущей силой (ЭДС). Единицей измерения ЭДС является вольт.

ЭДС характеризуется энергией, которую затрачивает или может затратить источник

на перемещение единицы положительного заряда по всей замкнутой цепи:

ист

Е 

(1.9)

Источники энергии постоянного тока. Источники ЭДС и тока

К источникам энергии постоянного тока относят гальванические элементы

аккумуляторы и т. п. Принципом действия гальванических элементов и аккумуляторов

является электролиз.

Источник электродвижущей силы – это источники электрической энергии,

характеризирующейся электродвижущей силой E и внутренним электрическим

сопротивлением Rвн. За положительное направление ЭДС источника принимается

направление возрастания потенциала внутри этого источника.

Внутреннее сопротивление Rвн показывает, что часть энергии, вырабатываемой

источником, используется внутри источника. Поэтому, напряжение на выходах источника

равна разности между ЭДС источника и падением напряжения на внутреннем

сопротивлении и определяется по формуле:

IREUEUU

втвт



(1.10)

При напряжении U = 0 ток источника равен току короткого замыкания:

вн

I 

(1.11)

Источник электрической энергии с малым внутренним сопротивлением можно

заменить идеализированной моделью, для которой R

вн

= 0. Такой идеализированный

источник электрической энергии называется идеальным источником ЭДС с одним

параметром Е = U. Напряжение между выводами идеального источника ЭДС не зависит от

тока, а его внешняя характеристика определяется выражением: U = Е = const.

Источник электрической энергии с большим внутренним сопротивлением называется

источником тока. При R

вн

>> R

constJI

вн



(1.12)

Отсюда видно, что ток источника тока не зависит от напряжения между его

выводами.

Закон Ома для участка цепи.

Закон Ома для участка электрической цепи устанавливает зависимость между током,

напряжением и сопротивлением на этом участке цепи. Математическое выражение закона

Ома для участка имеет вид:

I 

(1.13)

Часто место сопротивления пользуются проводимостью. Проводимость – это

величина обратная сопротивлению



(1.14). Единицей проводимости является сименс

(См).

Тогда закон Ома для участка цепи можно записать так

UgI 

(1.15)

Для замкнутой электрической цепи ЭДС источника, можно определить

выражением

)( RRIIRIRUUE

внвнвн



(1.16)

Из формулы 1.14 следует, что ток в замкнутой цепи равен

вн





(1.17).

Первый закон Кирхгофа.

Первый закон Кирхгофа говорит о том, что в любой момент времени количество

электрических зарядов, направленных к узлу, равно количеству зарядов, направленных от

узла, откуда следует, что электрический заряд в узле не накапливается. Поэтому

алгебраическая сумма токов в ветвях, сходящихся в узле электрической цепи, равна

нулю:





(1.18), где n — число ветвей, сходящихся в узле.

До написания уравнения (1.18) необходимо задать условные положительные

направления токов в ветвях, обозначив эти направления на схеме стрелками. В уравнении

(1.18) токи, направленные к узлу, записывают с одним знаком (например, с плюсом), а токи,

направленные от узла, с противоположным знаком (с минусом).

Второй закон Кирхгофа.

Второй закон Кирхгофа отражает положение о том, что изменение потенциала во всех

элементах контура в сумме равно нулю. Из этого следует такая формулировка второго

закона Кирхгофа: в любом контуре электрической цепи постоянного тока

алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме падений напряжений на всех

элементах этого контура:

 

 



iii

IRE

1 1

(1.19). Где n – число ЭДС в контуре; m – число элементов с

сопротивлением

в контуре.

При составлении уравнений по второму закону Кирхгофа предварительно задают

условные положительные направления токов во всех ветвях электрической цепи и для

каждого контура выбирают направление обхода. Если при этом направление ЭДС совпадает

с направлением обхода контура, то такую ЭДС берут со знаком плюс, если не совпадает —

со знаком минус. Падения напряжений в правой части уравнения (1.19) берут со знаком

плюс, если положительное направление тока в данном элементе цепи совпадает с

направлением обхода контура, если не совпадает — со знаком минус.

Последовательное и параллельное соединение элементов электрической цепи.

Если несколько резисторов соединены один за другим без разветвлений и по ним

протекает один и тот же ток, такое соединение называется последовательным.

При таком соединении:

I = const,







UUUUU

...21

(1.20),







RRRRR

...21

(1.21)

Если сопротивления равны, т. е

RRR 

...21

, то

nRR 

(1.22),а

nUU 

(1.23).

Параллельным соединением приемников называется такое соединение, при котором

к одним и тем же двум узлам электрической цепи присоединяется несколько ветвей.

При таком соединении:

U = const,







IIIII

...21

(1.24),







RRRRR

...

11111

(1.25).

Если сопротивления равны, то



(1.26), а

nII 

(1.27).

Последовательное и параллельное соединение ЭДС.

При последовательном соединении ЭДС один источник ЭДС следует за другим. Возможны

два случая включения последовательно: согласованное и встречное. При согласованном

включении ЭДС складываются при встречном вычитаются. По второму закону Кирхгофа

можем записать:

IRIRIRIREEE

внвнвнn



......21

(1.28)

Отсюда

RRRR

EEE

внвнвн











вн...

...21

(1.29)

При последовательном соединении

источников с одинаковыми параметрами

nR R









вн

(1.30)

При параллельном соединении источников с одинаковыми параметрами их общая ЭДС

не изменится, но уменьшатся токи через каждый источник и внутреннее сопротивление общего

источника. При

одинаковых источниках ЭДС:

вн

(1.31) ;





(1.32)

Метод контурных токов

Этот метод расчета основан на том, что действительный (истинный) ток в любой

ветви, входящей в несколько контуров (например, на рис.1 ветвь с сопротивлением R

входит в контур абе и в контур бвде), можно представить в виде алгебраической суммы

токов, каждый из которых замыкается по своему контуру.

Исходя из этого, сложную цепь можно разбить на ряд контуров и считать, что в каждой

ветви данного контура протекает одинаковый ток. Этот ток называют контурным.

Направление его выбирают произвольно. Контурные токи и будут теми неизвестными,

которые нужно определить. Зная значения и направления контурных токов, можно

определить действительный ток в каждой ветви цепи:

a) ток в ветви, входящий в данный контур, равен контурному току;

b) ток в ветви, входящий в несколько контуров, равен алгебраической сумме контурных

токов.

Как определить контурные токи? Для каждого контура составляют уравнения по второму

закону Кирхгофа, причем при составлении уравнений контур обходят по направлению

контурного тока. При этом необходимо учитывать падение напряжения в смежной с другим

контуром ветви от контурного тока смежного контура. Это падение напряжения будет

положительным, если направление контурного тока в смежном контуре совпадает с

направлением обхода данного контура и отрицательным, если направление контурного тока

не совпадает с направлением обхода.

Значение э.д.с. берется со знаком плюс, если направление обхода контура совпадает с

направлением действия э.д.с., и со знаком минус – если не совпадает.

При выборе контуров руководствуются следующим:

1. контуры должны быть независимы, т.е. каждый из них должен иметь ветвь, не

входящую в другой контур. Число независимых контуров можно определить по

уравнению

N=b-y+1 (1.33)

где b – число ветвей;

y – число узлов;

2. для расчета удобнее выбирать контуры с минимальным числом ветвей.

На примере расчета цепи, представленной на рис.1, поясним сказанное выше.