Управление образования Брестского облисполкома Учреждение образования «Брестский государственный колледж связи» Электротехника Программа дисциплины, методические рекомендации по ее изучению, задания на домашнюю контрольную работу и методические рекомендации по ее выполнению для учащихся заочного отделения Специальность: «Почтовая связь» Квалификация специалиста: «Техник почтовой связи» Брест 2015 1 ОГЛАВЛЕНИЕ 1. Пояснительная записка 3 2. Примерная программа по дисциплине 6 3. Вопросы для самоконтроля 18 4. Методические указания к выполнению контрольной работы 20 5. Задания для контрольной работы 23 6. Вопросы к экзамену 28 7. Перечень рекомендуемой литературы 28 8. Приложения 29 2 ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА Учебная дисциплина «Электротехника» является общепрофессиональной, устанавливающей базовые знания для освоения специальных дисциплин. Изучение электротехники базируется на знаниях учащимися физики, математики, химии. Тесная связь между этими предметами позволяет сформировать научное мировоззрение на электрические явления в природе. Дисциплина предусматривает знание физических процессов, происходящих в электрических цепях постоянного и переменного тока, свойства электрического и магнитного полей, принципы действия и основных свойств электрических машин трансформаторов, измерительных приборов. В результате изучения дисциплины учащиеся должны: Иметь представление: О способах получения, передачи и применения электрической и других видов энергии; О правилах выбора типа электродвигателя к соответствующему технологическому оборудованию; Знать: Основные законы электротехники; Методы расчета простейших электрических и магнитных цепей; Основные характеристики средств измерения; Устройство, назначение, принцип действия трансформаторов, электрических машин переменного и постоянного тока; типы электроприводов и элементов автоматики для управления ими; Уметь: Составлять по заданным условиям принципиальные схемы несложных электрических цепей; Обрабатывать результаты измерений; Использовать электрические измерительные приборы при составлении принципиальных электрических и монтажных схем Основной формой учебного процесса является индивидуальная самостоятельная работа, основным источником знания - учебная литература. Дисциплина "Электротехника" изучается в следующем порядке: - Изучение программного материала по рекомендованной литературе, конспектируя основные понятия. - Составление ответов на вопросы для самоконтроля. - Закрепление изученного материала решением задач. - Выполнение контрольной работы. Не рекомендуется переходить к изучению последующего материала, не уяснив предыдущий. Изучаемый материал нужно конспектировать в специальной тетради (лучше в клеточку). При этом выписывают основные определения и 3 формулы с пояснениями, а также обязательной простановкой размерности величин. В конспекте необходимо вычерчивать электрические схемы, поясняющие изучаемый материал. Решение задач целесообразно выполнять в этом же конспекте для того, чтобы все данные, необходимые для подготовки к выполнению лабораторных работ, были сосредоточены в одном месте. При работе с учебником рекомендуется обратить внимание на примеры, решение которых разобрано. Можно осуществить самоконтроль усвоения материала путем самостоятельного решения таких примеров с последующей проверкой по учебнику. Записи в конспектах и контрольных работах следует вести аккуратно, чертежи выполнять с помощью чертежного инструмента, лучше карандашом. Размерность всех величин должна соответствовать Международной системе единиц (СИ). Графики должны выполняться в масштабе с кратким объяснением их построения. Вычисления выполнять, используя калькулятор. При выполнении контрольной работы приводить ссылку на формулы в учебнике необязательно. Все непонятные вопросы выяснять у преподавателя на консультации или же письменным запросом в колледж. Контрольная работа должна быть выполнена в установленный учебным графиком срок. По данной дисциплине выполняется одна контрольная работа на 5 заданий (в том числе 2 задачи и 3 теоретических вопроса). Контрольная работа составлена на 10 вариантов. Номер варианта определяется последней цифрой личного дела (шифра) студента. Работы, выполненные не по своему варианту, не засчитываются и возвращаются учащемуся. Контрольная работа выполняется в отдельной тетради в клетку. Условие задачи надо переписывать полностью и начинать решение необходимо с краткого перечня исходных данных и искомых величин. Решение каждой последующей задачи необходимо начинать с нового листа, оставлять поля шириной 20-25мм для замечаний рецензента. Формулы и расчеты выполняют чернилами, а чертежи схем выполняются карандашом, на графиках и векторных диаграммах указывают масштаб. Исходные данные и искомые величины выражаются в Международной системе единиц (СИ). Электрические схемы должны быть вычерчены в условных обозначениях, определенных стандартом. Ход решения каждой задачи должен сопровождаться краткими пояснениями, т.е. следует указать, какие формулы применяются при решении задачи. В конце работы ставятся дата, подпись и оставляются примерно две страницы для рецензии. Страницы тетради нумеруются. В заключении необходимо указать список литературы, используемой при выполнении контрольной работы. После получения работы с оценкой и замечаниями преподавателя надо исправить отмеченные ошибки и повторить недостаточно усвоенный материал. После получения не зачтённой работы учащийся должен в той же тетради выполнить ее снова по старому или новому варианту (в зависимости от указаний преподавателя) и предоставить работу на повторное рецензирование. 4 В случае возникновения затруднений при выполнении контрольной работы учащийся может обратиться в колледж для консультации. После получения зачтенной работы нужно изучить все поправки и замечания преподавателя и исправить ошибки, выполнив необходимые записи на оставшихся чистых (или вклеенных) листах тетради, озаглавив "Работа над ошибками". Неаккуратное выполнение контрольной работы, несоблюдение принятой размерности и плохое выполнение чертежей и схем могут послужить причиной возвращения ее для переделки. 5 ПРИМЕРНАЯ ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ ВВЕДЕНИЕ Электрическая энергия, ее свойства и применение. Основные этапы развития отечественной электроэнергетики и электротехники. Перспективы развития электроэнергетики, электротехники. Основное содержание учебной дисциплины "Электротехника", ее значение в подготовке к освоению новой техники, робототехники, прогрессивных технологий, станков с ЧПУ и автоматических линий; ее связь с другими дисциплинами. Раздел 1 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА Тема 1.1 Электрическое поле Учащийся должен: знать: - основные свойства и характеристики электрического поля; - закон Кулона и условия его применения; - связь между напряженностью и разностью потенциалов электрического поля; - влияние электрического поля на проводники и диэлектрики; - конденсаторы и их соединения; уметь: - рассчитывать электрические напряженность и разность потенциалов в поле единичного заряда и в однородном поле, решать задачи на применение закона Кулона; - объяснять физический смысл сущности поляризации диэлектриков, действие электрического поля на проводники и диэлектрики; - определять пробивное напряжение и запас электрической прочности различных диэлектриков; - различать электроизоляционные материалы по внешнему виду и характеристикам. Основные свойства и характеристики электрического поля. Проводники и диэлектрики в электрическом поле. Электроемкость. Конденсаторы. Соединение конденсаторов. Энергия электрического поля заряженного конденсатора. Тема 1.2 Электрические цепи постоянного тока Учащийся должен: знать: - классификацию электрических цепей и их основных элементов; - параметры активных и пассивных элементов электрической цепи, их вольт-амперные характеристики; - зависимость электрического сопротивления от температуры; 6 - зависимость электрического сопротивления от материала, длины и площади поперечного сечения проводника; - режимы работы электрической цепи; - законы Ома и Кирхгофа; - метод преобразования (свертывания) схем, преобразование треугольника сопротивлений в эквивалентную трех лучевую звезду и звезды - в эквивалентный треугольник; - методы расчета электрических цепей постоянного тока: контурных токов, узловых потенциалов, двух узлов (узлового напряжения); - графический метод расчета нелинейной электрической цепи постоянного тока; уметь: - различать и классифицировать проводниковые материалы по удельному сопротивлению, классифицировать проводниковые изделия; - раскрывать понятия: ЭДС, разность потенциалов, напряжение, сопротивление, проводимость; - производить анализ электрической цепи, рассчитывать полное сопротивление цепи, определять напряжение, ток, мощность и энергию на каждом участке цепи, составлять баланс мощностей; - применять законы Ома для участка цепи и для полной цепи; - составлять простейшие электрические цепи на основе законов Кирхгофа для узла и контура; - производить расчет электрической цепи методами: контурных токов, узловых потенциалов, двух узлов (узлового напряжения); - составлять простейшие электрические цепи; - производить измерения в цепях постоянного тока; - производить графический расчет нелинейных цепей постоянного тока при различных соединениях пассивных линейных и нелинейных элементов; - определять по заданным ВАХ нелинейных элементов токи и напряжения в электрической цепи. Элементы электрической цепи, их параметры и характеристики. Пассивные и активные элементы электрической цепи. Элементы схемы электрической цепи: ветвь, узел, контур. Схемы замещения электрических цепей. Электродвижущая сила (ЭДС). Электрическое сопротивление. Зависимость электрического сопротивления от температуры. Электрическая проводимость. Резистор. Соединение резисторов. Режимы работы электрической цепи: холостой ход, номинальный, рабочий, короткого замыкания. Энергия и мощность электрической цепи. Баланс мощностей. КПД. Основы расчета электрической цепи постоянного тока. Законы Ома и Кирхгофа. Расчет электрических цепей произвольной конфигурации методами: контурных токов, узловых потенциалов, двух узлов (узлового напряжения). 7 Нелинейные электрические цепи постоянного тока. Нелинейные пассивные элементы и их вольт-амперные характеристики (ВАХ). Графический метод расчета нелинейных электрических цепей постоянного тока. Тема 1.3 Электромагнетизм Учащийся должен: знать: - основные свойства и характеристики магнитного поля; - закон Ампера и условия его применения; - физический смысл понятия индуктивности; - закон Ленца и его физический смысл; - область применения ферромагнитных материалов; - метод расчета однородной неразветвленной магнитной цепи с использованием характеристик намагничивания ферромагнитных материалов и электротехнических сталей; - процесс наведения ЭДС в проводнике, движущимся в магнитном поле; уметь: - определять основные свойства и характеристики магнитного поля; - определять электромагнитную силу, действующую на проводник с током в магнитном поле и силы взаимодействия между параллельными проводниками с токами; - определять ЭДС электромагнитной индукции в проводнике, движущемся в магнитном поле; - применять правила для определения индукционных ЭДС и токов; - раскрывать физический смысл понятий индуктивности собственной и индуктивности взаимной; - производить расчет однородной неразветвленной магнитной цепи постоянного тока; - пользоваться характеристиками намагничивания ферромагнитных материалов и электротехнических сталей. Основные свойства и характеристики магнитного поля. Закон Ампера. Индуктивность: собственная и взаимная. Магнитная проницаемость: абсолютная и относительная. Магнитные свойства вещества. Намагничивание ферромагнетика. Гистерезис. Электромагнитная индукция. ЭДС самоиндукции и взаимоиндукции. ЭДС в проводнике, движущемся в магнитном поле. Магнитные цепи: разветвленные и неразветвленные. Расчет неразветвленной магнитной цепи. Электромагнитные силы. Энергия магнитного поля. Электромагниты и их применение. Тема 1.4 Электрические цепи переменного тока Учащийся должен: знать: 8 - параметры цепей синусоидального тока и их сущность: активное сопротивление, реактивное емкостное, индуктивное и полное сопротивления; - разность фаз; - активную, реактивную и полную мощности; - коэффициент мощности; - законы Ома и Кирхгофа для цепи синусоидально тока; - связь мгновенного, амплитудного, среднего и действующего значений ЭДС, напряжения, тока; - фазовые соотношения между напряжением и током на отдельных участках цепи; порядок построения векторных диаграмм токов, напряжений, сопротивлений, мощностей; - физическую сущность процессов, протекающих в электрической RLC- цепи переменного тока; - физическую сущность явлений: резонанс напряжений, резонанс токов; - условия возникновения резонанса напряжений и резонанса токов; уметь: - строить временные диаграммы, рассчитывать параметры синусоидальных сигналов по временным диаграммам; - применять законы Ома и Кирхгофа для расчета цепей синусоидального тока; - определять характер электрической цепи, производить расчет цепи синусоидального тока, составлять баланс мощностей; - определять по параметрам электрической цепи RLC- цепи ее резонансную частоту, добротность, разность фаз напряжений, мощностей; - по векторным диаграммам определять параметры электрической цепи синусоидального тока; - производить измерения в однофазных цепях синусоидального тока. Понятие о генераторах переменного тока. Получение синусоидальной ЭДС. Общая характеристика цепей переменного тока. Амплитуда, период, частота, фаза, начальная фаза синусоидального тока. Мгновенное, амплитудное, действующее и среднее значения ЭДС, напряжения, тока. Изображение синусоидальных величин с помощью временных и векторных диаграмм. Электрическая цепь: с активным сопротивлением; с катушкой индуктивности (идеальной); с емкостью. Векторная диаграмма. Разность фаз напряжения и тока. Неразветвленные электрические RC и RL -цепи переменного тока. Треугольники напряжений, сопротивлений, мощностей. Коэффициент мощности. Баланс мощностей. Неразветвленная электрическая RLC- цепь переменного тока, резонанс напряжений и условия его возникновения. Расчет электрической цепи, содержащей источник синусоидальной ЭДС. Тема 1.5 Электрические измерения Учащийся должен: 9 знать: - роль и значение электротехнических измерений в науке и технике; - принцип действия и назначение электроизмерительных приборов магнитоэлектрического, электромагнитного, электродинамического, индукционного измерительных механизмов; - правила пользования цифровыми электроизмерительными приборами; - погрешности измерения; уметь: - различать тип и характеристики измерительных приборов по условным обозначениям; - пользоваться электроизмерительными приборами магнитоэлектрического, электромагнитного, электродинамического, индукционно измерительных механизмов; - пользоваться цифровыми приборами, выбирать предел измерения; - определять погрешности электроизмерительных приборов по данным измерений; - выбирать прибор для измерения с наименьшей погрешностью различных электрических величин; - составлять схемы включения приборов при измерении различных электрических величин. Основные понятия измерения. Погрешности измерений. Классификация электроизмерительных приборов. Измерение тока и напряжения. Магнитоэлектрический измерительный механизм, электромагнитный измерительный механизм. Приборы и схемы для измерения электрического напряжения. Расширение пределов измерения амперметров и вольтметров. Измерение мощности. Электродинамический измерительный механизм. Измерение мощности в цепях постоянного и переменного токов. Индукционный измерительный механизм. Измерение электрической энергии. Измерение электрического сопротивления, измерительные механизмы. Косвенные методы измерения сопротивления, методы и приборы сравнения для измерения сопротивления. Тема 1.6 Трехфазные электрические цепи Учащийся должен: знать: - схемы соединений звездой и треугольником трехфазных генераторов и трехфазных приемников электрической энергии; - принцип работы трехфазной электрической цепи, порядок соединения обмоток трехфазных генераторов звездой и треугольником; - соотношение между фазным и линейным напряжениями, соотношение между фазным и линейным токами при различных соединениях нагрузки; 10 - принцип построения векторной диаграммы для трехфазной цепи; - распределение мощности в нагрузке; - назначение нейтрального (нулевого) провода; уметь: - определять вид трехфазной электрической цепи при подключении нагрузки звездой и треугольником; - различать симметричную и несимметричную нагрузки; - производить расчет трехфазной электрической цепи при симметричной нагрузке; - определять фазные и линейные напряжения, фазные и линейные токи при различных соединениях нагрузки, мощность одной фазы и трехфазной цепи в целом; - определять коэффициент мощности; - строить векторные диаграммы напряжений и токов для симметричной нагрузки; - производить измерения в трехфазных электрических цепях. Соединение обмоток трехфазных источников электрической энергии звездой и треугольником. Трехпроводные и четырехпроводные трехфазные электрические цепи. Фазные и линейные напряжения, фазные и линейные токи, соотношения между ними. Симметричные и несимметричные трехфазные электрические цепи. Нейтральный (нулевой) провод и его назначение. Векторная диаграмма напряжений и токов. Передача энергии по трехфазной линии. Мощность трехфазной электрической цепи при различных соединениях нагрузки. Расчет симметричной трехфазной электрической цепи при соединениях нагрузки звездой и треугольником. Тема 1.7 Трансформаторы Учащийся должен: знать: - устройство и принцип действия однофазного трансформатора; - режимы работы однофазного трансформатора; - номинальные параметры однофазного и трехфазного трансформаторов; - типы трансформаторов и их применение; уметь: - объяснить устройство и принцип действия трансформаторов; - определять тип трансформатора; - определять параметры трансформаторов по паспортным данным; - различать режимы работы трансформатора; - определять потери мощности и КПД трансформатора по результатам измерений; - определять коэффициент трансформации трансформатора по данным измерений токов и напряжений; 11 - определять согласное и встречное включение обмоток трансформатора; - регулировать выходное напряжение с помощью автотрансформатора. Назначение, принцип действия и устройство однофазного трансформатора. Режимы работы трансформатора. Номинальные параметры трансформатора: мощность, напряжение и токи обмоток. Потери энергии и КПД трансформатора. Типы трансформаторов и их применение: трехфазные, многообмоточные, измерительные, автотрансформаторы. Тема 1.8 Электрические машины переменного тока Учащийся должен: знать: - устройство и принцип действия электрических машин переменного тока; - принцип обратимости электрический машин переменного тока; - основные характеристики асинхронных двигателей и синхронных генераторов; - причину, по которой частота вращения ротора асинхронного двигателя меньше синхронной; - способы пуска в ход электрических машин и способы регулирования частоты вращения ротора; уметь: - определять тип и параметры машин переменного тока по их маркировке; - определять частоту вращения ротора по значению скольжения и частоте тока в сети; - выбирать способы пуска двигателя в зависимости от их мощности; - определять потребляемую мощность двигателя по паспортным значениям КПД и номинальной мощности; - подключать двигатель к сети и осуществлять его пуск и реверс; - включать обмотки статора электрической машины звездой и треугольником на требуемое напряжение. Назначение машин переменного тока и их классификация. Получение вращающегося магнитного поля в трехфазных электродвигателях и генераторах. Устройство электрической машины переменного тока: статор и его обмотка, ротор и его обмотка. Принцип действия трехфазного асинхронного двигателя. Частота вращения магнитного поля статора и частота вращения ротора. Вращающий момент асинхронного двигателя. Скольжение. Пуск в ход асинхронных двигателей с короткозамкнутым и фазным ротором. Рабочий процесс асинхронного двигателя и его механическая характеристика. Регулирование частоты вращения ротора. Однофазный и двухфазный асинхронный электродвигатели. Потери энергии и КПД асинхронного двигателя. 12 Синхронные машины и область применения. Тема 1.9 Электрические машины постоянного тока Учащийся должен: знать: - устройство и принцип действия электрических машин постоянного тока; - принцип обратимости электрических машин постоянного тока; - основные характеристики двигателей и генераторов постоянного тока; - способы пуска в ход электрических машин и способы регулирования частоты вращения якоря; уметь: - определять типы и параметры машин постоянного тока по их маркировке; - строить рабочие характеристики генераторов и двигателей постоянного тока по данным измерений; - выбирать способы пуска двигателей в зависимости от их мощности и схемы возбуждения; - подключать двигатель к сети, осуществлять его пуск и регулирование частоты вращения. Назначение машин постоянного тока и их классификация. Устройство и принцип действия машин постоянного тока: магнитная цепь, коллектор, обмотка якоря. Рабочий процесс машины постоянного тока: ЭДС обмотки якоря, реакции якоря, коммутация. Генераторы постоянного тока, двигатели постоянного тока, общие сведения. Электрические машины с независимым возбуждением. Пуск в ход, регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока. Потери энергии и КПД машин постоянного тока. Тема 1.10 Основы электропривода Учащийся должен: знать: - функциональную блок-схему электропривода; - методику расчета мощности электродвигателя при различных режимах работы; уметь: - объяснить по функциональной схеме устройство электропривода; - выбирать тип электродвигателя по механической характеристике рабочей машины; - выбирать электродвигатель в зависимости от режима работы; - строить для выбранного двигателя реальную нагрузочную диаграмму; - производить расчет мощности двигателя при различных режимах работы; 13 - анализировать работу схем управления электродвигателем. Понятие об электроприводе. Уравнение движения электропривода. Механические характеристики нагрузочных устройств. Расчет мощности и выбор двигателя при продолжительном кратковременном и повторнократковременном режимах. Аппаратура для управления электроприводом. Тема 1.11 Передача и распределение электрической энергии Учащийся должен: знать: - преимущества объединения энергосистем; - потери напряжения и энергии в проводах ЛЭП; - метод выбора сечения проводов по таблицам допустимых нагрузок; - назначение защитного заземления и защитного зануления в электроустановках; уметь: - определять конструкцию и область применения проводов и кабелей по их маркам; - выбирать сечения проводов и кабелей по допускаемой токовой нагрузке и потере напряжения; - отличать защитное заземление от защитного зануления. Электроснабжение промышленных предприятий от электрической системы. Назначение и устройство трансформаторных подстанций и распределительных пунктов. Электрические сети промышленных предприятий: воздушные линии; кабельные линии; внутренние электрические сети и распределительные пункты; электропроводки. Электроснабжение цехов и осветительных электросетей. Графики электрических нагрузок. Выбор сечений проводов и кабелей: по допустимому нагреву; с учетом защитных аппаратов; по допустимой потере напряжения. Эксплуатация электрических установок. Защитное заземление. Защитное зануление. Раздел 2 ЭЛЕКТРОНИКА Тема 2.1 Физические основы электроники. Электронные приборы Учащийся должен: знать: - физические процессы, происходящие в "p-n" переходе при его прямом и обратном включениях; - принцип работы полупроводниковых диодов, стабилитронов, биполярных и полевых транзисторов, тиристоров; - основные параметры и назначение полупроводниковых приборов; - принцип работы и область применения фотоэлектронных приборов; уметь: 14 - объяснить устройство и принцип работы полупроводниковых диодов, биполярных и полевых транзисторов, тиристоров; - определять параметры полупроводниковых приборов по их характеристикам; - определять типы полупроводниковых приборов по их маркировке; - пользоваться справочной литературой по полупроводниковым приборам; - проводить измерения токов и напряжений при снятии входных и выходных характеристик биполярных транзисторов; - различать по внешнему виду приборы с внешним и внутренним фотоэффектом; - определять тип фотоэлектронной прибора по его маркировке. Электропроводимость полупроводников. Собственная и примесная проводимость. Электронно-дырочный переход и его свойства. Прямое и обратное включение "p-n" перехода. Полупроводниковые диоды: классификация, свойства, маркировка, область применения. Полупроводниковые транзисторы: классификация, принцип действия, назначение, область применения, маркировка. Биполярные транзисторы. Физические процессы и биполярном транзисторе. Схемы включения биполярных транзисторов. Схемы включения биполярных транзисторов: общая база, общий эмиттер, общий коллектор. Вольтамперные характеристики, параметры схем. Статические параметры, динамический режим работы, температурные и частотные свойства биполярных транзисторов. Полевые транзисторы: принцип работы, характеристики, схемы включения. Тиристоры: классификация, характеристика, область применения, маркировка. Фотоэлектронные приборы: вакуумные, газонаполненные, полупроводниковые. Тема 2.2 Электронные выпрямители и стабилизаторы Учащийся должен: знать: - основные параметры электронных выпрямителей; - принцип работы схем однополупериодного, двухполупериодного и трехфазного выпрямителей; - основные требования, предъявляемые к сглаживающим фильтрам; - основные параметры электронных стабилизаторов напряжения и тока; - принцип работы стабилизаторов постоянного напряжения и тока; уметь: - составлять схемы однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей; 15 - изображать графики мгновенных значений выпрямленных напряжений и токов для различных типов выпрямителей; - графически пояснить работу схем выпрямления; - объяснить работу различных сглаживающих фильтров, электронных стабилизаторов напряжения и тока. Основные сведения, структурная схема электронного выпрямителя. Однофазные и трехфазные выпрямители. Сглаживающие фильтры. Основные сведения, структурная схема электронного стабилизатора. Стабилизаторы напряжения. Стабилизаторы тока. Тема 2.3 Электронные усилители Учащийся должен: знать: - основные технические характеристики электронных усилителей; - принцип работы усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе; - принцип работы импульсивного, избирательного, операционного усилителей и усилителей постоянного тока; - назначение обратной связи в усилителях; - методы температурной стабилизации режима работы усилителя; уметь: - снимать и строить амплитудно-частотную характеристику электронного усилителя; - по АЧХ определять коэффициент усиления усилителя и его полосу пропускания, граничные частоты рабочего диапазона; - выражать коэффициенты усиления усилителя по току, по напряжению, по мощности в логарифмических единицах - децибелах (дБ). Схемы усилителей электрических сигналов. Основные технические характеристики электронных усилителей. Принцип работы усилителя низкой частоты на биполярном транзисторе. Обратная связь в усилителях. Многокаскадные усилители, температурная стабилизация режима работы. Усилители постоянного тока. Импульсные и избирательные усилители. Операционные усилители. Тема 2.4 Электронные генераторы и измерительные приборы Учащийся должен: знать: - принцип работы различных типов электронных генераторов и их применение; - сущность переходных процессов в RC - цепях; - принцип работы электронного вольтметра и осциллографа; уметь: - объяснять принцип генераторов LC- типа и RC-типа; 16 - объяснять принцип работы импульсных генераторов: мультивибратора, триггера, генератора линейно изменяющегося напряжения; - пользоваться осциллографом для наблюдения формы напряжений и токов; - по осциллограммам напряжений и токов определять параметры электрических сигналов; - по параметрам схемы электронного генератора определять его рабочую частоту и период колебаний; - пользоваться электронным вольтметром. Колебательный контур. Структурная схема электронного генератора. Генераторы синусоидальных колебаний: генераторы LC-типа, генераторы RC- типа. Переходные процессы в RC- цепях. Импульсные генераторы: мультивибратор, триггер. Генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН - генератор). Электронные стрелочные и цифровые вольтметры. Электронный осциллограф. 17 ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ 1. От каких величин зависит сила взаимодействия электрических зарядов? 2. От каких величин зависит емкость плоского конденсатора? 3. В каких единицах измеряют ЭДС, напряжение и ток? 4. От чего зависит сопротивление металлического проводника? 5. Сформулируйте закон Ома для замкнутой электрической цепи и для ее участка. 6. Сформулируйте первый и второй законы Кирхгофа. 7. Как определяют общее сопротивление при последовательном, параллельном и смешанном соединениях потребителей энергии? 8. Как определить напряжение на зажимах двух параллельно соединенных источников энергии с различным ЭДС, замкнутых на какой-либо потребитель энергии? 9. Чему равна работа и мощность электрического тока и в каких единицах они измеряются? 10. Как определить направление магнитного поля, возбужденного вокруг проводника с током? 11. Что называется магнитной индукцией, магнитным потоком, магнитной проницаемостью, напряженностью магнитного поля? 12. Объясните взаимодействие проводников с током. 13. В чем заключается явление самоиндукции? 14. Как определяют мгновенное амплитудные и действующее значение переменного тока? 15. Каково соотношение между током и напряжением при индуктивной нагрузке? 16. Каково соотношение между напряжением и током в цепи, содержащей емкость? 17. Как определяется полное сопротивление цепи, содержащей R, L, C ? 18. Поясните резонанс напряжений и резонанс токов. 19. Что такое активная, реактивная и полная мощности и в каких единицах они измеряются? 20. Перечислите виды и методы электрических измерений. 21. Что такое класс точности прибора, как его определить? 22. Как включаются в цепь амперметры, вольтметры и ваттметры. 23. Каково назначение шунтов и добавочных резисторов? 24. Объясните схемы соединения обмоток генератора. 25. К чему приведет обрыв нулевого провода при несимметричной на грузке? 26. Чему равна мощность, потребляемая нагрузкой от трехфазной сети при симметричной и несимметричной нагрузках? 27. Объясните назначение и принцип действия трансформаторов? 28. Изменится ли ток в первичной обмотке трансформатора, если при изменении нагрузки увеличился ток во вторичной обмотке? 29. Что называется коэффициентом трансформации? 18 30. Как производят опыты холостого хода и короткого замыкания трансформатора и какие параметры его определяются из этих опытов? 31. Каковы достоинства и недостатки автотрансформатора по сравнению с трансформаторами? 32. В чем заключается принцип действия асинхронного двигателя? 33. Как изменить направление вращения ротора? 34. Как устроен асинхронный двигатель с фазным и короткозамкнутым ротором? 35. От чего зависит вращающийся момент асинхронного двигателя? 36. Если напряжение питающей сети понизится на 10 %, то в какой мере уменьшится вращающий момент? 37. Как осуществляется пуск в ход асинхронных двигателей? 38. В чем заключается принцип работы синхронного генератора? 39. В чем заключается принцип действия генератора постоянного тока и каково его устройство? 40. От чего зависит ЭДС машины постоянного тока? 41. Как протекает процесс самовозбуждения генератора? 42. Как осуществить реверсирование двигателя постоянного тока? 43. От чего зависит вращающий момент, частота вращения двигателя постоянного тока? 44. Перечислите названия основных частей электропривода и объясните назначение. 45. Объясните режимы работы электродвигателей: длительный, кратковременный и повторно-кратковременный. 46. Начертите и объясните схему электроснабжения промышленных предприятий. Виды и устройство электрических сетей. 47. Как осуществляется учет и контроль потребления электроэнергии, экономия электроэнергии? 48. В чем состоит различие между электронной и дырочной проводимостью? 49. Каково устройство германиевого вентиля? 50. В чем заключается принцип работы транзистора? 51. Изобразите характеристики транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером. 52. Объясните работу однофазной однополупериодной и мостовой схемы выпрямления. 53. Чему равно обратное напряжение в двухполупериодной, мостовой и трехфазной схемах выпрямления? 54. Какими основными параметрами характеризуется усилитель? 55. Как определяется коэффициент усиления транзисторного усилителя при схеме с общим эмиттером? 56. Объясните назначение элементов схемы, работу и применение генераторов синусоидального напряжения типа LC и RC. 57. Объясните структурный состав, основные функции микропроцессора и укажите существенное отличие микропроцессора от микро-ЭВМ. 19 МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ В контрольную работу входит материал раздела программы «Электротехника». В контрольную работу входят две задачи и теоретические вопросы по темам. В таблице указаны варианты и данные к задачам, а также номера теоретических вопросов. Пример 1. Для схемы, приведенной на рис. 1, а, определить эквивалентное сопротивление цепи RАВ и токи в каждом резисторе, а также расход электроэнергии цепью за 8 ч работы. Решение. Задача относится к теме «Электрические цепи постоянного тока». Проводим поэтапное решение, предварительно обозначив стрелкой ток в каждом резисторе; индекс тока должен соответствовать номеру резистора, по которому он проходит. 1. Определяем общее сопротивление разветвления RCD, учитывая, что резисторы R3 и R4 соединены последовательно между собой, а с резистором R5 параллельно: RCD = (R3 + R4) R5 / (R3 + R4+R5) = (10 + 5)*10 / (10 + 5 + 10) = 6 Ом (рис. 1,6). 2. Определяем общее сопротивление цепи относительно вводов СЕ. Резисторы и RCD и R2 включены параллельно, поэтому RСЕ = RCD R2 / /(RCD+R2) = 6*3 / (6+3)=2 Ом (рис. 1, в). 3. Находим эквивалентное сопротивление всей цепи: R АВ = R1 + RСЕ = = 8 + 2 = 10 Ом (рис. 1, г). 4. Определяем токи в резисторах цепи. Так как напряжение UAB приложено ко всей цепи, а RАВ = 10 Ом, то согласно закону Ома I1 = UAB / RAB = = 150/10 = 15 А. Для определения тока I1 находим напряжение на резисторе R2, т. е. UCE. Очевидно, UCB меньше UAB на потерю напряжения в резисторе R1, т. е. UСЕ = = UАВ – I1 R1 = 150 – 15*8 = 30 В. Тогда I1 = UCE / R2 = 30/3 = 10 А. Так как UCD = = UCD, то можно определить токи I3,4 и I5 : I3,4 = UCD/(R3 + R4) = 30/(10 + 5) = 2 А; I5 = UCD/R5 = 30/10 = 3 А. На основании первого закона Кирхгофа, записанного для узла С, проверим правильность определения токов: I1 = I2 + I3,4 + I5, или 15 = 10 + 2 + 3 = 15 А. 5. Расход энергии цепью за восемь часов работы: W = Pt = UABI1t = 150*15*8 = 18 000 Вт*ч = 18 кВт*ч. Пусть в схеме примера 1 известны сопротивления всех резисторов, а вместо напряжения UAB задан один из токов, например I2 = 2 А. Найти остальные токи и напряжение UAB. Зная I2, определяем UCE = I2R2 = 2-3 = 6 В. Так как UCE = UCD, то I3,4 = UCD/(R3 + R4) = 6/(10 + 5) = 0,4 А; I5 = UCD / R5 = 6/10 = 0,6 А. 20 На основании первого закона Кирхгофа I1 = I2 + I3,4 + I5 = 2 + 0,4 + 0,6 = =3А. Тогда UAB = UCE + I1R1 = 6 + 3*8 = 30 В. При расплавлении предохранителя Пр5 резистор R5 выключается и схема принимает вид, показанный на рис. 1, д. Вычисляем эквивалентное сопротивление схемы: R'AB = R1+ (R3 + R4)R2 / (R3+R4 R2) = 8 + (10 + 5)*3 / (10 + 5 + 3) = 10,5 Ом. Так как напряжение UAB остается неизменным, находим ток I1= UAB/R'AB = 150/10,5 = 14,28 А. Напряжение UCE = UAB – I1R1 = 150 14,28 * 8 = = 35,75 В. Тогда токи I2 = UCE/R2 = 35,75/3 = 11,9 A; I3,4 = UCE/R3,4 = 35,75/(10 + 5) = 2,38 A. Сумма этих токов равна току I1 : 11,9 + 2,38 = 14,28 А. Рис. 1 Пример 2. Неразветвленная цепь переменного тока содержит катушку с активным, сопротивлением RK = 3 Ом и индуктивным XL = 12 Ом, активное сопротивление R = 5 Ом и конденсатор с сопротивлением xC = 6 Ом (рис. 2,а). К цепи приложено напряжение U = 100В (действующее значение). Определить: 1) полное сопротивление цепи; 2) ток; 3) коэффициент мощности; 4) активную, реактивную и полную мощности; 5) напряжение на каждом сопротивлении. Начертить в масштабе векторную диаграмму цепи. Решение. 1. Определяем полное сопротивление цепи: Z = V(RK+R)2+(xL-xC)2 + = V(3 + 5)2 + (12 - б)2 = 10 Ом. 2. Определяем ток цепи I = U/Z = 100/10 = 10 А. 3. Находим коэффициент мощности цепи. Во избежание потери знака угла (косинус - функция четная) определяем sin φ: sin φ = (xL- xC)/Z = (12 - 6)/10 = 0,6; φ = 36°50'. По таблицам Брадиса определяем коэффициент мощности cos φ = cos 36°50' = 0,8. 4. Определяем активную, реактивную и полную мощности цепи: 21 Р = U I cosφ = 100-10*0,8 = 800 Вт или Р = I2(RK+ R) = 102 (3+5) =800 Вт; Q = I2(xL-xC) = 102(12 - 6) =600 вар или Q=U I sinq>=1000-10-0,6=600 вар; S = UI = 100*10 = 1000 B*А или S = I2 Z = 102-10 = 1000 В*А или 2 2 2 2 S = VP +Q = V800 + 600 = 1000 В*А. 5. Определяем падения напряжения на сопротивлениях цепи: URK=10*3 = 30 В; UL = IxL = 10*12 = 120 В; UR = IR = 10*5 = 50 В; UC = IхC = = 10*6 = 60 В. Построение векторной диаграммы начинаем с выбора масштаба для тока и напряжения. Задаемся масштабом по току: в 1 см - 2,0 А и масштабом по напряжению: в 1 см - 20 В. Построение векторной диаграммы (рис. 2, б) начинаем с вектора тока, который откладываем по горизонтали в масштабе 10 А/2 А/см = = 5 см. Вдоль вектора тока откладываем векторы падений напряжения на активных сопротивлениях URK и UR: 30 В/20 В/см = 1,5 см; 50 В/20 В/см = 2,5 см. Из конца вектора UR откладываем в сторону опережения вектора тока на 90° вектор падения напряжения UL на индуктивном сопротивлении длиной 120 В/20 В/см = 6 см. Из конца вектора UL откладываем в сторону отставания от вектора тока на 90° вектор падения напряжения на конденсаторе Uc длиной 60 В/20 В/см = 3 см. Геометрическая сумма векторов URK, UR, UL, UC равна полному напряжению, приложенному к цепи. Рис. 2 22 ЗАДАНИЯ ДЛЯ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ ЗАДАНИЕ 1. Цепь постоянного тока содержит шесть резисторов, соединенных смешанно. Схема цепи и значения резисторов указаны на соответствующем рисунке. Номер рисунка и величина одного из заданных токов или напряжений приведены в таблице 1. Индекс тока или напряжения совпадает с индексом резистора, по которому проходит этот ток или на котором действует указанное напряжение. Например, через резистор R5 проходит ток I5 и на нем действует напряжение U5. Определить: 1) эквивалентное сопротивление цепи относительно вводов АВ; 2) ток в каждом резисторе; 3) напряжение на каждом резисторе; 4) расход электрической энергии цепью за 10 ч. Таблица1 Действие Номера Номера Задаваемая с резисторами вариант рисунко величина замыкается выключает ов в накоротко ся из схемы 01 4 J4,5=6А R3 02 4 U2=100В R6 03 4 J2=10А R4 04 4 U3=40В R5 05 4 U1=100В R2 06 4 UАВ=200В R3 07 5 UАВ=30В R6 08 5 J1=1,08А R4 09 5 U1=10,8В R1 10 5 J2=0,72А R5 - Рисунок 4. Рисунок 5. 23 ЗАДАНИЕ 2. Неразветвленная цепь переменного тока, показанная на соответствующем рисунке, содержит активные и реактивные сопротивления, величины которых заданы в таблице № 2. Кроме того, известна одна из дополнительных величин (U, I, P, Q, S). Определить следующие величины, если они не заданы в таблице вариантов: 1) полное сопротивление цепи Z; 2) напряжение U, приложенное к цепи; 3) силу тока в цепи; 4) угол сдвига фаз φ (величину и знак); 5) активную Р, реактивную Q, и полную S мощности, потребляемые цепью. Начертить в масштабе векторную диаграмму цепи и пояснить ее построение. С помощью логических рассуждений пояснить, как изменится ток в цепи и угол сдвига фаз, если частоту тока увеличить вдвое. Напряжение, приложенное к цепи, считать неизменным. Таблица 2 Номер Номер варианта рисунка R1, Ом R2, Ом XL1, Ом 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 8 10 3 6 4 16 4 8 80 10 4 20 1 14 18 50 5 2 6 15 6 6 100 18 6 6 6 7 7 7 8 8 8 9 Рисунок 6 XL2, XC1, Ом Ом 2 10 2 10 4 2 5 5 8 4 8 25 20 XC2, Дополнительная Ом величина 5 4 15 30 J = 10 А P = 120Вт P2 = 100Вт U = 40 В P = 16Вт QL1 = 135вар P = 100Вт UC2 = 40 В J = 1А UR2 = 28 В Рисунок 7 Рисунок 8 Рисунок 9 24 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ Номер задания 3 № варианта Вопросы 01 Основные характеристики электрического поля: напряженность электрического поля, электрическое напряжение. Электрическая емкость. Конденсаторы. Соединения конденсаторов. Проводники и диэлектрики в электрическом поле. Электрическая проводимость и сопротивление проводников. Законы Ома. Источники и приемники электрической энергии, их мощность и КПД. Законы Кирхгофа. Основные свойства и характеристики магнитного поля. Электромагнитная индукция. Общие сведения об электрических цепях. Общие сведения об электрических измерениях и электроизмерительных приборах. Классификация электроизмерительных приборов. Измерение тока. Приборы, погрешности, расширение пределов измерения амперметров. Векторная диаграмма и ее обоснование. Элементы и параметры электрических цепей переменного тока. Измерение электрического сопротивления. Косвенные и прямые измерения. Защитное заземление, защита от статического электричества. Понятие об электроприводе. Классификация. Генераторы постоянного тока Схемы электроснабжения потребителей электрической энергии, общая схема электроснабжения, понятие об энергетической системе и электрической системе. Назначение трансформаторов. Классификация, конструкция Элементы устройства электрических сетей: воздушные линии, кабельные линии, электропроводки, трансформаторные подстанции. 02 03 04 05 07 08 4 09 10 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 25 5 01 02 03 04 05 06 07 08 09 10 Приведите классификацию фотоэлектронных приборов. Поясните смысл внешнего и внутреннего фотоэффекта. Объясните электрофизические свойства полупроводников. Электропроводность полупроводников и влияние примесей на их проводимость. Объясните образование и принцип действия электронно-дырочного (р-n) перехода полупроводников. Объясните устройство биполярных транзисторов. Назначение электродов, принцип работы, применение. Объясните устройство полевых транзисторов, назначение электродов, принцип работы. Начертите структурную схему выпрямителя переменного тока и поясните назначение ее составных частей. Приведите основные параметры выпрямителя. Начертите структурную схему биполярного транзистора типа p-n-p с источниками питания и поясните принцип его работы. Начертите схему электронного генератора типа RC на транзисторе, объясните принцип работы, укажите назначение элементов. Объясните принцип действия и поясните основные параметры электронных реле. Чем отличаются электронные реле от электромеханических? Начертите структурную схему электронного осциллографа, объясните его назначение, принцип работы. 26 ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ 1. Электрическое поле. Основные понятия и определения. 2 . Понятие об электропроводности. 3. Конденсаторы. Электрическая ёмкость 4. Понятие об электрическом токе 5. Понятие об электролизе. Закон Фарадея. 6. Электрическая цепь и её элементы. 7. Закон Ома для участка цепи. 8. Закон Ома для полной цепи. 9. Электрическое сопротивление и проводимость. 10. Преобразование электрической энергии в тепловую. Закон ДжоуляЛенца. 11. Потеря напряжения в проводах. КПД линии. 12. Первый закон Кирхгофа. 13. Последовательное соединение сопротивлений. 14. Параллельное соединение сопротивлений. 15. Смешанное соединение сопротивлений. 16. Второй закон Кирхгофа. 17. Химические источники питания. Их применение. 18. Магнитное поле тока. Магнитная индукция. Магнитный поток. 19. Электромагнитная сила. Прямолинейный провод в магнитном поле. 20. Электромагнитная сила. Контур в магнитном поле. 21. Электромагниты, устройство и назначение. 22. Электродвижущая сила, наведенная в проводе. 23. Взаимная индуктивность. 24. Назначение и устройство машин постоянного тока. 25. Принцип работы двигателя постоянного тока. 26. Принцип работы генератора постоянного тока. 27. Основные понятия о переменном токе. 28. Получение синусоидальной э.д.с. с помощью генератора переменного тока. 29. Цепь переменного тока с активным сопротивлением. 30. Цепь переменного тока с индуктивностью. Индуктивное сопротивление. 31. Цепь переменного тока с ёмкостью. Емкостное сопротивление. 32. Неразветвленная цепь с активным, индуктивным и емкостным сопротивлением. 33. Трехфазная система электрических цепей. Простейший генератор трехфазного тока. 34. Соединение обмоток генератора звездой. 35. Соединение обмоток генератора треугольником. 36. Соединение приемников энергии звездой. 37. Соединение приемников энергии треугольником. 38. Основные понятия об измерениях. 27 39. Классификация измерительных приборов. 40. Назначение и устройство однофазного трансформатора, принцип действия. 41. Два режима работы трансформатора. Мощность потерь в трансформаторе. КПД трансформатора. 42. Назначение машин переменного тока. Устройство асинхронного двигателя. 43. Защитное заземление. 44. Классификация и применение электронных приборов. 45. Понятие об электронной эмиссии. Виды электронной эмиссии. 46. Катоды электровакуумных приборов. 47. Двухэлектродная электронная лампа. Устройство и назначение. 48. Устройство и принцип работы триода, статические характеристики и параметры. 49. Примесная электропроводность полупроводников. 50. Полупроводниковый диод, его устройство. 51. Электрическое напряжение. Потенциал. СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. В.М. Прошин «Электротехника. Учебник для начального профессионального образования». 2010 , Изд.центр"Академия" 2. Б.И. Петленко Электротехника и электроника: Учебник для учащихся среднего профессионального образования. 2010. Академия. Москва. 3. Березкина Т.Ф., Гусев Н.ГЮ.Ю Масленников В.В. Задачник по общей электротехнике с основами электроники.-М.:Высшая школа,1991. 4. Попов В.С., Николаев С.А.Общая электротехника с основами электроники – М. : Энергия, 1990 5. Рабинович Э..А. Сборник задач по общей электротехнике - М. : Энергия, 1985 6. Данилов И..А. , Иванов Л.М.Общая электротехника с основами электроники - М. : Энергия, 1980 28 Приложение Единицы Международной системы единиц СИ Обозначени е Единицы измерения единиц изме рения Название величин 1.Основные Длина Масса Время Сила тока 2. Механические Скорость Ускорение Угловая частота Частота Энергия, работа Сила Мощность 3. Электрические Количество электричества, заряд Электрическое напряжение, разность электрических потенциалов, ЭДС Напряженность электрического поля Электрическая емкость Электрическое сопротивление Электрическая проводимость Полная мощность переменного тока Реактивная мощность переменного тока 4. Магнитные Магнитный поток Магнитная индукция Напряженность магнитного поля Намагничивающая (магнитодвижущая) сила Индуктивность, взаимная индуктивность Магнитное сопротивление 29 метр килограмм секунда ампер метр в секунду метр в секунду в квадрате радиан в секунду герц джоуль или ваттсекунда ньютон ватт м кг с А м/с м/с2 рад/с Гц Дж Н Вт кулон вольт Кл В вольт на метр фарада ом сименс вольт-ампер вар В/м Ф Ом См ВА вар вебер тесла ампер на метр ампер генри ампер на вебер Вб Т А/м А Г А/Вб Несистемные единицы (по отношению к системе СИ). Десятичные кратные и десятичные дольные единицы. Диапазоны измеряемых величин очень широки, поэтому государственный стандарт допускает применение несистемных единиц. Такими являются десятичные кратные (образованные умножением на 10, 100, 1000 и т.д.) и десятичные дольные (образованные умножением на 0,1; 0,01; 0,001 и т.д.) от единиц СИ. Для их обозначения вводятся специальные приставки. Приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц Название приставки Обозначение приставки Тера Гига Мега Кило Гекто Деци Санти Милли Микро Нано Пико Т Г М к г д С м мк н п Коэффициент умножения, соответствующий приставке 1012 109 106 103 102 10-1 10-2 10-3 10-6 10-9 10-12 Примеры 1 Ф = 106 мкФ = 1012 пФ 1 мкА = 10-6 А = 10-3 мА 1 МОм = 103 кОм = 106 Ом 1 кГц = 103 Гц 1 ГГц = 103 МГц Алфавитный список некоторых несистемных величин Название Связь с единицами Обозначение единицы системы СИ Ампер-час А·ч 3600 Кл Ватт-час Вт·ч 3600 Дж Гаусс Гс 10-4 Т Киловатт-час кВт·ч 1000 Вт·ч=3600000 Максвелл Мкс Дж 10-8 Вб 30