электотехника лабы

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Ухтинский государственный технический университет»
(УГТУ)
Учебно-лабораторный практикум
по дисциплине
«ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА»
Методические указания
2-е издание, исправленное и дополненное
Ухта
УГТУ
2017
УДК [621.3+621.38] (076.5)
ББК 31.297+32.85517 я7
Д 30
Дементьев, И. А.
Д 30
Учебно-лабораторный практикум по дисциплине «Электротехника и
электроника» [Текст] : методические указания / И. А. Дементьев, П. С. Шичёв,
А. Э. Старцев. – 2-е изд., испр. и доп. – Ухта : УГТУ, 2017. – 80 с. : ил.
Практикум предназначен для выполнения лабораторных работ по дисциплинам
«Электротехника», «Электротехника и электроника», «Общая электротехника и электроника», «Электроснабжение с основами электротехники». Может быть использован
при подготовке к сдаче экзамена или зачёта по указанным дисциплинам студентами
как очной, так и заочной форм обучения.
В издании кратко изложены теоретические сведения по теме по каждой лабораторной работы, представлены схемы для выполнения экспериментов и последовательность выполнения самих лабораторных работ.
Учебно-лабораторный практикум составлен в соответствии с Федеральным
государственным образовательным стандартом и предназначен для студентов неэлектрических специальностей.
УДК [621.3+621.38] (076.5)
ББК 31.297+32.85517 я7
Методические указания рассмотрены и одобрены кафедрой ЭАТП пр. № 8 от 13.10.
2017 года и предложены к изданию.
Рецензент: А. Э. Старцев, доцент кафедры ЭАТП.
Редактор: С. В. Полетаев, старший преподаватель кафедры ЭАТП.
Технический редактор: Л. П. Коровкина.
Методические указания изданы в авторской редакции с минимальными правками.
В методических указаниях учтены предложения рецензента и редактора.
План 2017 г., позиция 088.
Подписано в печать 29.12.2017 г. Компьютерный набор.
Объём 80 с. Тираж 100 экз. Заказ № 323.
© Ухтинский государственный технический университет, 2013
© Ухтинский государственный технический университет, 2017
169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Первомайская, д. 13.
Типография УГТУ.
169300, Республика Коми, г. Ухта, ул. Октябрьская, д. 13.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение ....................................................................................................................... 4
1 Экспериментальная проверка закона Ома ............................................................. 5
2 Экспериментальная проверка законов Кирхгофа ................................................. 8
3 Исследование совместной работы Источников ЭДС. Понятие об
электрической мощности.......................................................................................... 10
3.1 Последовательное соединение источников ЭДС ......................................... 11
3.2 Параллельное соединение источников ЭДС ................................................ 12
3.3 Электрическая мощность в цепях постоянного тока .................................. 15
4 Резистивный, индуктивный, ёмкостной элементы в цепи синусоидального
тока. Активная и реактивная мощности ................................................................. 18
4.1 Резистор в цепи синусоидального тока......................................................... 18
4.2 Индуктивный элемент в цепи синусоидального тока ................................. 21
4.3 Ёмкостной элемент в цепи синусоидального тока ...................................... 26
5 Последовательное и параллельное соединение конденсатора и катушки
индуктивности. Понятия об Резонансе напряжений и резонансе токов ............. 31
5.1 Последовательное соединение конденсатора и катушки индуктивности.
Понятие о резонансе напряжений............................................................................ 31
5.2 Параллельное соединение конденсатора и катушки индуктивности.
Понятие о резонансе токов ....................................................................................... 36
6 Исследование трёхфазных электрических цепей синусоидального тока ........ 41
7 Исследование полупроводниковых резисторов с нелинейными вольтамперными характеристиками ................................................................................. 47
7.1 Терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом
сопротивления (термисторы) ................................................................................... 47
7.2 Терморезисторы с положительным температурным коэффициентом
сопротивления (позисторы)...................................................................................... 49
7.3 Резисторы с зависимостью сопротивления от напряжения (варисторы) .. 50
8 Исследование полупроводниковых диодов ......................................................... 52
8.1 Прямое и обратное включение полупроводниковых диодов ..................... 52
8.2 Выпрямление электрических колебаний ...................................................... 55
8.3 Исследование полупроводниковых стабилитронов .................................... 59
9 Статические характеристики биполярного транзистора .................................... 62
10 Определение параметров схемы замещения трансформатора ........................ 66
Библиографический список ...................................................................................... 70
Приложение 1. Оформление отчётов по лабораторным работам ........................ 71
Приложение 2. Вопросы для самопроверки ........................................................... 76
3
ВВЕДЕНИЕ
Пособие предназначено для подготовки к проведению экспериментов по
дисциплинам «Электротехника и электроника», «Общая электротехника и электроника», «Электроснабжение с основами электротехники». Пособие может
быть использовано при подготовке к сдаче экзамена или зачёта по указанным
дисциплинам студентами как очной, так и заочной форм обучения. При разработке экспериментальной части к каждой лабораторной работе за основу были
взяты руководства по выполнению базовых экспериментов для электрических
цепей постоянного тока, электрических цепей переменного тока и руководство
по выполнению базовых экспериментов с электронными приборами и устройствами, разработанных Уральским филиалом РНПО «РОСУЧПРИБОР» совместно с Южно-Уральским государственным университетом. Большинство работ
дополнены и переработаны. Добавлено много теоретического материала.
В описании к каждой работе содержится цель работы, общие теоретические
сведения, задание и последовательность выполнения эксперимента, включая схемы
для выполнения экспериментов, таблицы результатов измерений и вычислений и
координатные плоскости для построения графических зависимостей.
Учебно-лабораторный практикум составлен в соответствии с Федеральным государственным образовательным стандартом и предназначен для студентов неэлектрических специальностей.
4
1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ЗАКОНА ОМА
Цель работы
Осуществить проработку и тщательное усвоение теоретических положений в части формулировок и справедливости закона Ома.
Общие сведения
Закон Ома является одним из основополагающих эмпирических законов
теории электрических цепей, устанавливающий взаимосвязь таких параметров
как напряжение, сила тока, сопротивление, электродвижущая сила, разность
потенциалов.
Закон Ома для участка цепи: сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению участка
U
(1.1)
I ab  ab .
Rab
Закон Ома для полной цепи: сила тока в замкнутой цепи прямо пропорциональна значению электродвижущей силы (ЭДС) источника и обратно пропорциональна сумме общего сопротивления нагрузки цепи и внутреннего
сопротивления источника
E
,
(1.2)
I
Rн  r0
где
E – ЭДС источника цепи;
Rн – внешнее (относительно источника) сопротивление нагрузки;
r0 – внутреннее сопротивление источника.
Закон Ома для неоднородного участка цепи (обобщенный закон Ома): сила тока на участке цепи прямо пропорциональна алгебраической сумме ЭДС и
разности потенциалов участка и обратно пропорциональна сопротивлению
участка
I ab 
 E   a   b 
.
R ab
(1.3)
Экспериментальная часть
Задание: экспериментально проверить выполнение закона Ома.
Последовательность выполнения эксперимента:
• Соберите цепь согласно схеме (рис. 1.1), значение сопротивлений резисторов выбираются в соответствии с таблицами 1.1, 1.2.
5
Рисунок 1.1 – Схема для выполнения эксперимента
Таблица 1.1 – Таблица результатов измерений и вычислений
U, В
0
2
4
6
8
I, мА ( R  100 Ом)
I, мА ( R  150 Ом)
I, мА ( R  330 Ом)
10
12
• Изменяя значение напряжения на зажимах источника согласно таблице 1.1, измерьте значения силы тока при различных сопротивлениях нагрузки.
• По полученным данным постройте графики зависимостей I  f U  при
различных сопротивлениях нагрузки (рис. 1.2).
• Измерьте значения силы тока в цепи с разной величиной сопротивления
нагрузки и разными значениями напряжения на источнике (см. табл. 1.2).
Таблица 1.2 – Таблица результатов измерений и вычислений
R, Ом
100
150
220
330
470
I, мА ( U  4 В)
I, мА ( U  8 В)
I, мА ( U  12 В)
680
1000
• По полученным данным постройте графики зависимостей I  f R  при
различных значениях напряжений на выводах источника (рис. 1.3).
• Сделайте выводы по работе.
6
Рисунок 1.2 – Графики зависимостей I  f U 
Рисунок 1.3 – Графики зависимостей I  f R 
7
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ЗАКОНОВ КИРХГОФА
Цель работы
Осуществить проработку и тщательное усвоение теоретических положений в части формулировок и справедливости законов Кирхгофа.
Общие сведения
Анализ и расчёт разветвлённых цепей электрического тока обычно проводят с помощью законов Кирхгофа. При этом составляется и затем решается
система уравнений, состоящая из уравнений по обоим законам Кирхгофа сразу.
Первый закон Кирхгофа является следствием закона сохранения количества электричества, согласно которому в узле заряд одного знака не может ни
накапливаться, ни убывать. Кроме того, первый закон Кирхгофа – это, по существу, закон сохранения энергии для электрических цепей. Его можно сформулировать следующим образом:
Сумма всех токов, приходящих к узлу электрической цепи, равна сумме
всех токов, выходящих из этого узла. Иначе говоря, алгебраическая сумма токов в узле равна нулю:
v
 Ii  0 .
(2.1)
i 1
При составлении равенства (2.1) токи, приходящие к узлу, берут со знаком «плюс», а токи, направленные от узла, – с противоположным знаком, т. е. с
«минусом».
Второй закон Кирхгофа применяют к замкнутым контурам. Он может
быть сформулирован следующим образом:
Алгебраическая сумма падений напряжения на пассивных элементах замкнутого контура равна алгебраической сумме ЭДС источников, входящих в
контур:
 I  R    E
e
r
j 1
j
k 1
k
.
(2.2)
В уравнение (2.2) токи и ЭДС входят со знаком «плюс», если их направления совпадают с направлением обхода контура, и со знаком «минус», если их
направления противоположны направлению обхода.
Количество уравнений, составляемых по второму закону Кирхгофа, равно
количеству замкнутых контуров в схеме.
Количество уравнений, составляемых по первому закону Кирхгофа, равно
разности между количеством токов и количеством контуров.
8
Суммарное количество уравнений равно числу токов в схеме.
Экспериментальная часть
Задание: экспериментально проверить выполнение законов Кирхгофа.
Последовательность выполнения эксперимента:
• Соберите цепь согласно схеме (рисунок 2.1), значение сопротивлений
резисторов задаются преподавателем.
Рисунок 2.1 – Схема для выполнения эксперимента
• Поочерёдно устанавливая регулятором напряжения источника значения
ЭДС, измерьте значения падения напряжения на сопротивлении R1 и значения
токов в ветвях.
• Занесите результаты измерений в таблицу 2.1.
• Сделайте выводы по работе.
Таблица 2.1 ‒ Результаты измерений и вычислений
Е, В
0
3
6
9
12 15
U1, В
I1, мА
I2, мА
I3, мА
I2 + I3, мА
I1·R1, В
I2·R2, В
I3·R3, В
I1·R1 + I2·R2, В
‒I2 · R2 + I3 · R3, В
9
18
21
24
27
30
3. ИССЛЕДОВАНИЕ СОВМЕСТНОЙ РАБОТЫ ИСТОЧНИКОВ ЭДС.
ПОНЯТИЕ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ
Цель работы
Проверить справедливость теоретических положений и понять принцип
совместной работы источников ЭДС при их последовательном и параллельном
соединениях. Усвоить понятие об электрической мощности.
Общие сведения
В любом источнике, наряду с преобразованием неэлектрической энергии
(химической, механической и др.) в электрическую, также происходит и частичное преобразование электрической энергии в тепло. Это обуславливается
наличием внутреннего сопротивления источника. Поэтому все источники характеризуются двумя величинами: ЭДС (Е) и внутренним сопротивлением r0.
Рисунок 3.1 – Схема цепи с источником ЭДС и приёмником
Напряжение на зажимах источника (рис. 3.1):
U ab  E  I  r0 .
(3.1)
Таким образом, с ростом тока в цепи растёт падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника – I · r0, и снижается напряжение на его зажимах – ∆Uab. В том случае, если источник не подключён к внешней цепи, то его
напряжение численно равно ЭДС, т.к. ток в цепи отсутствует и нет падения
напряжения на внутреннем сопротивлении источника. При этом напряжение на
выводах источника называется напряжением холостого хода.
U хх  E .
(3.2)
Зависимость напряжения источника от тока выражает вольт-амперная
характеристика (ВАХ) или, иначе, внешняя характеристика (рис. 3.2).
10
Рисунок 3.2 – ВАХ идеального (а) и реального (б) источников ЭДС
3.1 Последовательное соединение источников ЭДС
Общие сведения
Последовательное соединение источников ЭДС при корректном соединении полюсов источников – положительный полюс предыдущего соединяется с
отрицательным полюсом последующего (согласное включение), даёт большее
по величине общее напряжение (ЭДС)
согласное включение
Eобщ
 E1  E2 .
(3.3)
Если же полюса источников соединены противоположным образом
(встречное включение), то общее напряжение цепи определяется как разность
напряжений (ЭДС) источников:
встречное включение
Eобщ
 E1  E2 .
(3.4)
Внутренние сопротивления последовательно соединённых источников
суммируются в общее внутреннее сопротивление
r0 общ  r01  r02 .
(3.5)
Экспериментальная часть
Задание: исследовать работу двух последовательно соединённых источников ЭДС при согласном и при встречном их соединении.
Последовательность выполнения эксперимента:
• Соберите цепь согласно схеме (рис. 3.3), значение ЭДС регулируемого
источника задаётся преподавателем.
• Измерьте и запишите в таблицу 3.1 напряжение (ЭДС) на каждом источнике, общее напряжение в схеме и ток, протекающий через нагрузочный резистор.
11
• Переключив мультиметры в режим омметра, измерьте соответствующие
сопротивления.
• Повторите измерения, изменив полярность одного из источников (по
указанию преподавателя) на противоположное (встречное включение).
• Занесите результаты измерений в таблицу 3.1.
Рисунок 3.3 – Схема для выполнения эксперимента
Таблица 3.1 – Результаты измерений
Показатели
Е, В
r0, Ом
I, мА
Источник Е1
Источник Е2
Общие значения
Согласное
Встречное
включение
включение
‒
‒
‒
‒
• Сделайте выводы по работе.
3.2 Параллельное соединение источников ЭДС
Общие сведения
Параллельным соединением нескольких источников с одинаковой величиной ЭДС на зажимах достигается более высокий ток нагрузки Iн. Соединение
реализуется подключением одноимённых выводов источников между собой.
Если ЭДС источников различны, то в цепи возникает уравнительный ток I0
(рис. 3.4). Он зависит от разности напряжений и внутренних сопротивлений источников
E  E2
I0  1
.
(3.6)
r01  r02
При параллельном соединении двух источников эквивалентное сопротивление и эквивалентная ЭДС соответственно равны:
12
r01  r02
;
r01  r02
(3.7)
E1  g 01  E2  g 02
,
g 01  g 02
(3.8)
r0 э 
Eэ 
где
g 01 
1
1
, g 02 
– проводимости первого и второго источников.
r01
r02
Рисунок 3.4 – Схема цепи с параллельным соединением
источников ЭДС и нагрузкой
Общий ток нагрузки зависит от сопротивления нагрузки, эквивалентной
ЭДС и эквивалентного внутреннего сопротивления источников и будет равен
Eэ
Iн 
.
(3.9)
r0 э  Rн
Экспериментальная часть
Задание: исследовать работу двух параллельно соединённых источников
ЭДС в режиме холостого хода и под нагрузкой.
Последовательность выполнения эксперимента:
• Соберите цепь согласно схеме (рисунок 3.5) без нагрузочного резистора,
значение ЭДС регулируемого источника задаётся преподавателем.
• Измерьте точное значение ЭДС источника Е1 = 15 В и установите точно
такое же значение на регулируемом источнике Е2, снимите измерения уравнительного тока I0 и результирующего напряжения Uab при одинаковых ЭДС.
• Установите ЭДС регулируемого источника Е2 =_____ В, повторите измерения при неодинаковых ЭДС.
13
• Включите в схему нагрузочный резистор Rн = 100 Ом, измерьте токи
через источники, нагрузочный ток и общее напряжение при одинаковых и неодинаковых ЭДС.
• По известным значениям E1, E2, R1, R2, Rн рассчитайте эквивалентную
ЭДС, уравнительный ток I0, ток нагрузки Iн и напряжение Uab на нагрузке, а
также токи источников I1 и I2 через уравнения по 2-му закону Кирхгофа:
 R1  I1  U ab  Е1 ;
(3.10)

 R2  I 2  U ab  Е 2 .
• Занесите результаты измерений и вычислений в таблицу 3.2.
Рисунок 3.5 – Схема для выполнения эксперимента
Таблица 3.2 – Результаты измерений и вычислений
Показатели
Холостой ход:
Е1 = Е2 = _____ В
Холостой ход:
Е1 = _____ В;
Е2 = _____ В.
Нагрузка
Rн = 100 Ом:
Е1 = Е2= _____ В
Нагрузка
Rн = 100 Ом:
Е1 = _____ В;
Е2 = _____ В.
Величина,
ед. измерения
I0, мА
Uab, В
I0, мА
Измерено
Uab, В
I1, мА
I2, мА
Uab, В
Iн, мА
I1, мА
I2, мА
Uab, В
Iн, мА
• Сделайте выводы по работе.
14
Вычислено
Погрешность
3.3 Электрическая мощность в цепях постоянного тока
Общие сведения
Электрическая мощность Р характеризует необратимые преобразования электрической энергии в другие виды энергии, например, в тепловую.
Мощность может быть определена через напряжение и электрический
ток и измеряется в ваттах (Вт):
P U  I .
(3.11)
В элементах электрических и электронных цепей, обладающих омическим сопротивлением R, электрическая энергия нежелательным образом преобразуется в тепло, что называют также потерями мощности:
(3.12)
P  I2  R;
U2
.
(3.13)
P
R
Каждый элемент электрической цепи имеет предельно допустимую мощность, превышение которой в процессе эксплуатации приводит к недопустимому перегреву. Зависимость I U  при P  Pдоп  const имеет вид гиперболы. По
ней можно легко определить максимально допустимые величины напряжения и
тока для данного элемента цепи.
Электрическую мощность можно измерить непосредственно, с помощью
ваттметра, и косвенно – через напряжение и ток (см. формулы 3.12, 3.13).
Электрическая энергия (работа электрического тока) W выражается как
произведение электрической мощности Р на время t:
W  P t U  I t .
(3.14)
Экспериментальная часть
Задание 1: определить мощность, выделяющуюся в сопротивлениях, измеряя напряжение и ток.
Задание 2: построить гиперболические зависимости I(U) для омических
резисторов, в которых может быть рассеяна максимальная мощность 2 Вт.
Последовательность выполнения эксперимента:
• Соберите цепь согласно схеме (рис. 3.6).
• Измерьте токи в резисторах 100, 220, 330 Ом при напряжениях, указанных в таблице 3.3.
• Внесите в таблицу 3.3 измеренные величины токов вместе со значениями мощности, рассчитанными по формуле P  U  I . На координатной плоско-
15
сти (рис. 3.7) изобразите кривые зависимости мощности от резистора P = f(U)
для каждого нагрузочного сопротивления.
• Постройте на координатной плоскости (рис. 3.8) зависимость тока, протекающего через резистор, от его мощности.
Рисунок 3.6 – Схема для выполнения эксперимента
Таблица 3.3 – Результаты измерений и вычислений
U, В
R = 100 Ом
R = 220 Ом
R = 330 Ом
0
2
3
4
6
8
10
I, мА
Р, Вт
I, мА
Р, Вт
I, мА
Р, Вт
Рисунок 3.7 – Зависимость мощности от резистора P = f(U)
при различных нагрузках
16
12
14
• Величины токов, соответствующие напряжениям (табл. 3.4), рассчитайте по формуле
P
I ,
(3.15)
U
где P = 2 Вт – допустимая мощность резистора.
Таблица 3.4 – Результаты расчётов
U, В
2
3
4
I, мА
6
8
10
12
Рисунок 3.8 – Вольт-амперная характеристика резистора
• Сделайте выводы по работе.
17
14
4. РЕЗИСТИВНЫЙ, ИНДУКТИВНЫЙ, ЁМКОСТНОЙ ЭЛЕМЕНТЫ
В ЦЕПИ СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА.
АКТИВНАЯ И РЕАКТИВНАЯ МОЩНОСТИ
Цель работы
Понять особенности работы и характер изменения параметров, в том числе напряжения, силы тока и мощности, цепи синусоидального тока при включении резистивного, индуктивного и ёмкостного элементов.
4.1 Резистор в цепи синусоидального тока
Общие сведения
Напряжение на резистивном элементе и ток, протекающий через него,
связаны законом Ома. Если u (t )  U m sin(t   0 ) , то протекающий ток равен:
u (t ) U m sin(t   0 )

 I m sin(t   0 ) .
(4.1)
R
R
Очевидно, что напряжение и ток имеют одинаковую начальную фазу, т. е.
резистивный элемент не вносит сдвига по фазе между напряжением и током.
График мгновенных значений напряжения и тока представлен на рисунке 4.1.
i (t ) 
Рисунок 4.1 – График мгновенных значений напряжения и тока на резисторе
Комплексы действующих значений напряжения и тока на резистивном
элементе:
18
U  U  e j ;
(4.2)
0
j  0
U e
 I  e j .
(4.3)
I 
R
Комплексное сопротивление резистивного элемента равно его активному
сопротивлению
U U  e j
Z 
R.
(4.4)
I U  e j
0
0
0
R
Векторная диаграмма представлена на рисунке 4.2.
U·
+j
I·
φU = φI
0
0
+1
Рисунок 4.2 – Векторная диаграмма токов и напряжений на резисторе
Мощность, которая выделяется в резистивной нагрузке, определяется как
произведение напряжения на силу тока. Значения мощности в любой момент
времени (мгновенную мощность) можно найти, перемножая мгновенные значения напряжения и тока, взятые попарно в единый момент времени.
pt   u t   it  .
(4.5)
Среднее значение мощности (она пульсирует с двойной частотой) выражается через действующие значения напряжения и тока на резисторе
U2
P U  I  I  R 
.
(4.6)
R
Такая мощность называется активной мощностью.
Эта мощность характеризует необратимые преобразования электрической
энергии в другие виды энергии, например, в тепловую. Единицей измерения активной мощности называется ватт (Вт).
2
Экспериментальная часть
Задание: исследовать характеристики электрической цепи синусоидального тока с резистивной нагрузкой.
Последовательность выполнения эксперимента:
19
• Соберите цепь согласно схеме (рис. 4.3). В качестве источника используйте одну из фаз трёхфазного источника синусоидального напряжения: U = 7 В,
f = 50 Гц.
Рисунок 4.3 – Схема для выполнения эксперимента
• Установите параметры развёртки осциллографа (Scope) по осям для
наглядного отображения не менее одного периода колебаний напряжения.
• Перенесите на координатную плоскость (рис. 4.4) осциллограмму выходного напряжения.
• По выборке мгновенных значений напряжения для значений времени по
таблице 4.1 рассчитайте мгновенные значения силы тока согласно закону Ома и
постройте на координатной плоскости временной график силы тока.
• Рассчитайте значения активной мощности pt  по (4.5) и постройте кривую активной мощности на графике (рис. 4.4)
• По графику pt  определите среднее значение (активную мощность).
Рассчитайте активную мощность по значениям силы тока и напряжения, зафиксированных мультиметрами. Сравните полученные значения мощностей.
• По осциллограмме: Pср = ______________Вт.
• По показаниям мультиметров: P = ______________Вт.
Таблица 4.1 – Результаты измерений и вычислений
Время t, мс
0
2
4
6
8 10
Напряжение u(t), В
Ток i(t), мА
Активная мощность p(t), Вт
20
12
14
16
18
20
Рисунок 4.4 – Осциллограммы тока, напряжения
и активной мощности на резисторе
• Сделайте выводы по работе.
4.2 Индуктивный элемент в цепи синусоидального тока
Общие сведения
Вокруг всякого проводника с током образуется магнитное поле, которое
характеризуется вектором магнитной индукции В и магнитным потоком Ф:
Ф   B  ds .
(4.7)
Если поле образуют несколько (w) проводников с одинаковым током, то
используют понятие потокосцепления ψ:
(4.8)
  w Ф .
Отношение потокосцепления к току, который его создаёт, называют
индуктивностью
L
21

I
.
(4.9)
Единицей измерения индуктивности является Генри (Гн). Часто используют дробные единицы (1 мкГн = 10–6 Гн; 1 мГн = 10–3 Гн).
Условно-графическое изображение и обозначение индуктивного элемента
представлены на рисунке 4.5, а.
Рисунок 4.5 – Катушка индуктивности в цепи синусоидального тока (а)
и схема замещения реальной катушки индуктивности (б)
Конструктивно индуктивный элемент выполняется в виде катушки с сердечником. Такая катушка кроме свойства создавать магнитное поле обладает
также активным сопротивлением R (рис. 4.5, б).
Напряжение на индуктивном элементе и ток, протекающий через него,
связаны следующим соотношением:
dit 
u t   L 
.
(4.10)
dt
Если i t   I m  sin   t   0  , то
где


u t   L  I m    cos  t   0   X L  I m  sin    t   0   ,
(4.11)
2

X L    L – индуктивное сопротивление катушки индуктивности пере-
менному синусоидальному току.
Очевидно, что напряжение на катушке индуктивности опережает ток через неё по фазе на угол

2
представлен на рисунке 4.6.
. График мгновенных значений напряжения и тока
Рисунок 4.6 – График мгновенных значений напряжения и тока
на катушке индуктивности
22
Комплексы действующих значений напряжения и тока на индуктивности:
I  I  e j ;
(4.12)
0
U  I  X L  e


j   0  
2

.
(4.13)
Комплексное сопротивление катушки индуктивности:


j   0  
2

U I  X L  e
Z 
I
I  e j
Выражение e
j 

2
0
 XL e
j 

2
 j  XL.
(4.14)
 j следует непосредственно из формулы Эйлера:

 
 
 cos   j  sin    j .
2
2
Векторная диаграмма представлен на рисунке 4.7.
e
j
2
Рисунок 4.7 – Векторная диаграмма токов и напряжений
на катушке индуктивности
Мощность, которая выделяется в реактивных элементах носит название
реактивной мощности. Реактивная мощность – это мощность, характеризующая взаимный энергообмен между реактивными элементами цепи и источником энергии, т. е. обратимые преобразования энергии, например, в энергию
магнитного поля и представляет собой амплитуду мгновенной мощности реактивных элементов. Реактивная мощность измеряется в вольт-амперах реактивных (ВАр) и определяется по формуле
Q  U  I  sin .
(4.15)
В зависимости от знака угла φ реактивная мощность будет либо положительной, т. е. носить индуктивный характер (   0 ), либо отрицательной и носить ёмкостной характер (   0 ).
23
В идеальной катушке потерь активной мощности нет, а в действительности возвращаемая энергия всегда меньше потребляемой из-за потерь энергии в
активном сопротивлении катушки.
Экспериментальная часть
Задание: исследовать характеристики электрической цепи синусоидального тока с индуктивной нагрузкой.
Последовательность выполнения эксперимента:
• Соберите цепь согласно схеме (рис. 4.8). В качестве источника используйте одну из фаз трёхфазного источника синусоидального напряжения:
U = 7 В, f = 50 Гц. В качестве индуктивности с малым активным сопротивлением используйте обмотку трансформатора T 300 витков. Первым каналом осциллографа (Scope) воспринимается падение напряжения на обмотке
трансформатора, а вторым – инвертированное падение напряжения на резисторе, совпадающее по фазе с сигналом тока в цепи.
Рисунок 4.8 – Схема для выполнения эксперимента
• Установите параметры развёртки осциллографа по осям для наглядного
отображения не менее одного периода колебаний сигналов.
• Перенесите на координатную плоскость (рис. 4.9) осциллограмму
напряжения на обмотке трансформатора по первому каналу осциллографа.
• По выборке мгновенных значений напряжения на резисторе для значений времени по таблице 4.2 рассчитайте мгновенные значения силы тока согласно закону Ома и постройте на координатной плоскости временной график
силы тока.
Таблица 4.2 – Результаты измерений и вычислений
Время t, мс
Напряжение u(t), В
Ток i(t), мА
Реактивная мощность q(t), ВАр
0
2
24
4
6
8
10
12
14
16
18
20
• Рассчитайте значения реактивной мощности q(t) и постройте кривую
мощности на графике (рис. 4.9).
• По графику q(t) определите среднее значение (реактивную мощность).
Рассчитайте реактивную мощность по значениям силы тока и напряжения, зафиксированных мультиметрами. Сравните полученные значения мощностей.
• По осциллограмме: Qср = ______________Вт.
• По показаниям мультиметров: Q = ______________Вт.
Рисунок 4.9 – Осциллограммы тока, напряжения и реактивной мощности
• Подключите цепь к генератору напряжений специальной формы.
• Вместо трансформатора установите в цепь катушку индуктивности в соответствии с таблицей 4.3.
• Установите фиксированное значение напряжения рукояткой регулятора
и не меняйте его в течение эксперимента.
• Измерьте действующие значения тока и напряжения на катушке мультиметрами при различных значениях индуктивности и частоты, указанных в
таблице 4.3.
25
• Рассчитайте индуктивные сопротивления по результатам этих измерений по двум формулам в таблице 4.3. Сравните результаты.
• На рисунке 4.10 постройте зависимости XL=f(f) для различных значений
индуктивностей.
Таблица 4.3 – Таблица результатов измерений и вычислений
f=0,6 кГц
L
10 мГн
40 мГн
100 мГн
f=1 кГц
f=1,4 кГц
f=1,8 кГц
U, В
I, мА
XL =U/I, кОм
XL =ω·L, кОм
U, В
I, мА
XL =U/I, кОм
XL =ω·L, кОм
U, В
I, мА
XL =U/I, кОм
XL =ω·L, кОм
XL
mX = ________ Ом/дел
L
5
4
3
2
1
f
0
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8
кГц
Рисунок 4.10 – Осциллограммы тока, напряжения и активной мощности
• Сделайте выводы по работе.
4.3 Ёмкостной элемент в цепи синусоидального тока
Общие сведения
Все проводники с электрическим зарядом создают электрическое поле.
Характеристикой этого поля является разность потенциалов (напряжение).
Электрическую ёмкость определяют отношением заряда проводника к
напряжению:
q
C .
(4.16)
U
26
Ёмкость – количество зарядов на единицу приложенного напряжения.
Конструктивно ёмкость выполняется в виде двух проводников, разделённых слоем диэлектрика. Форма проводников может быть плоской, трубчатой,
шарообразной и др. Типовым ёмкостным элементом является плоский конденсатор. Условно-графическое изображение и обозначение ёмкостного элемента в
цепи синусоидального тока показано на рисунке 4.11.
Рисунок 4.11 – Конденсатор в цепи синусоидального тока
Напряжение на конденсаторе и ток, протекающий через него, связаны
между собой следующим соотношением
du(t )
i(t )  C 
.
(4.16)
dt
Если u t   U m  sin   t   0  , то
i t   C  U m    cos  t   0  
Um


 sin    t   0   ,
XC
2

(4.17)
1
– ёмкостное сопротивление конденсатора переменному сину C
соидальному току.
Очевидно, что напряжение на конденсаторе отстаёт от тока через него по

фазе на угол . График мгновенных значений напряжения и тока представлен
2
на рисунке 4.12.
где
XC 
Рисунок 4.12 – График мгновенных значений напряжения и тока на конденсаторе
27
Комплексы действующих значений напряжения и тока на конденсаторе:
U  U  e j ;
(4.18)
0
U
I 
XC e


j   0  
2

.
Комплексное сопротивление конденсатора

 j 
U
U  e j
Z 
 XC e 2   j  XC .


I
j    
U e  2
Векторная диаграмма представлена на рисунке 4.13.
0
(4.19)
(4.20)
0
Рисунок 4.13 – Векторная диаграмма на конденсаторе
Экспериментальная часть
Задание: исследовать характеристики электрической цепи синусоидального тока с ёмкостной нагрузкой.
Последовательность выполнения эксперимента:
• Соберите цепь согласно схеме (рис. 4.14). В качестве источника используйте одну из фаз трёхфазного источника синусоидального напряжения:
U = 7 В, f = 50 Гц. Первым каналом осциллографа воспринимается падение
напряжения на конденсаторе, а вторым – инвертированное падение напряжения на резисторе, совпадающее по фазе с сигналом тока в цепи.
Рисунок 4.14 – Схема для выполнения эксперимента
28
• Установите параметры развёртки осциллографа по осям для наглядного
отображения не менее одного периода колебаний сигналов.
• Перенесите на координатную плоскость (рис. 4.15) осциллограмму
напряжения на конденсаторе по первому каналу осциллографа.
Рисунок 4.14 – Осциллограммы тока, напряжения и реактивной мощности
• По выборке мгновенных значений напряжения на резисторе для значений времени по таблице 4.3 рассчитайте мгновенные значения силы тока согласно закону Ома и постройте на координатной плоскости временной график
силы тока.
Таблица 4.3 – Результаты измерений и вычислений
Время t, мс
Напряжение u(t), В
Ток i(t), мА
Реактивная мощность q(t), ВАр
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
• Рассчитайте значения реактивной мощности q(t) и постройте кривую
мощности на графике (рис. 4.15).
• По графику q(t) определите среднее значение (реактивную мощность).
Рассчитайте реактивную мощность по значениям силы тока и напряжения, зафиксированных мультиметрами. Сравните полученные значения мощностей.
29
• По осциллограмме: Qср = ______________Вт.
• По показаниям мультиметров: Q = ______________Вт.
• Подключите цепь к генератору напряжений специальной формы.
• Установите максимальное значение напряжения рукояткой регулятора и
не меняйте его в течение эксперимента.
• Измерьте действующие значения тока и напряжения на конденсаторе мультиметрами при различных значениях ёмкости и частоты, указанных в таблице 4.5.
• Рассчитайте ёмкостные сопротивления по результатам этих измерений
по двум формулам в таблице 4.5. Сравните результаты.
Таблица 4.15 – Результаты измерений и вычислений
Таблица 4.5 – Таблица результатов измерений и вычислений
f=0,4 кГц
С
1 мкФ
0,47 мкФ
0,22 мкФ
f=0,6 кГц
f=0,8 кГц
f=1 кГц
U, В
I, мА
XC=U/I, кОм
XC=1/(ω·С), кОм
U, В
I, мА
XC=U/I, кОм
XC=1/(ω·С), кОм
U, В
I, мА
XC=U/I, кОм
XC=1/(ω·С), кОм
• На рисунке 4.15 постройте зависимости: Xc=f(f) для различных значений
емкостей.
• Сделайте выводы по работе.
30
5. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ И ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ
КОНДЕНСАТОРА И КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ.
ПОНЯТИЯ ОБ РЕЗОНАНСЕ НАПРЯЖЕНИЙ И РЕЗОНАНСЕ ТОКОВ
Цель работы
Уяснить сущность резонансных явлений в последовательном и параллельном колебательных контурах электрических цепей. Определить и усвоить
цели, способы достижения и необходимые условия существования резонансов
напряжений и токов. Изучить параметры колебательных контуров.
Общие сведения
При протекании электрического синусоидального тока через катушку индуктивности в ней создаётся магнитное поле и ток начинает отставать по фазе
от напряжения. При протекании такого тока через конденсатор, последний
накапливает электрический заряд, что вызывает отставание по фазе напряжения
от тока. В отличие от реактивных катушки индуктивности и конденсатора, резистор, обладающий активным сопротивлением, не вносит сдвига фазы ни
напряжения, ни тока.
5.1 Последовательное соединение конденсатора и катушки индуктивности. Понятие о резонансе напряжений
Общие сведения
Когда по цепи с последовательным соединением конденсатора и катушки
индуктивности (рисунок 5.1), которая также носит название последовательный
колебательный (резонансный) контур, протекает один и тот же синусоидальный ток, напряжение на конденсаторе U C отстаёт от тока I на 90°, а напряже-
ние на катушке индуктивности U L опережает ток на 90°. Эти напряжения
находятся в противофазе (повёрнуты относительно друг друга на 180°).
Реактивное сопротивление цепи (рис. 5.1) равно
X  XL  XC.
Рисунок 5.1 – Последовательный колебательный контур
31
(5.1)
Когда одно из напряжений больше другого, цепь оказывается либо преимущественно индуктивной (рис. 5.2, а), либо преимущественно ёмкостной
(рис. 5.2, в). А если напряжения U L и U C имеют одинаковые значения и компенсируют друг друга, то суммарное напряжение на участке цепи L – C оказывается равным нулю. Остаётся только небольшая составляющая напряжения
на активном сопротивлении катушки и проводов. Такое явление называется резонансом напряжений (рис. 5.2, б).
Рисунок 5.2 – Последовательный колебательный контур
Для наступления резонанса напряжения в цепи переменного тока необходимо, чтобы выполнялось условие: реактивное сопротивление индуктивности
должно быть равно реактивному сопротивлению ёмкости:
1
X L  XC   L 
.
(5.2)
 C
При этом:
1. полное сопротивление цепи становится равным активному сопротивлению и имеет минимальное значение, т. е. Z  R  min;
2. угол сдвига фазы между напряжением и током становится равным нулю,
  0 ;
3. ток в цепи достигает максимального значения I  I max ;
4. собственная частота последовательного колебательного контура состоящего из индуктивности и ёмкости, должна совпадать с частотой питающего
напряжения.
Исходя из выражения (5.2), резонансная частота контура определяется по
формулам
1
0 
;
(5.3)
LC
1
.
(5.4)
f0 
2   L C
32
Поскольку реактивные сопротивления индуктивности и ёмкости на резонансной частоте становятся равными нулю, то энергия в них не рассеивается. В
отличие от активного сопротивления, в котором по закону Джоуля–Ленца выделяется тепло.
С энергетической точки зрения при резонансе в цепи происходит следующий процесс. Энергия магнитного поля катушки в течение четверти периода
тока переходит в энергию электрического поля конденсатора, и в последующую четверть периода возвращается обратно из конденсатора в катушку. Обмен энергиями между полями цепи и источником питания не происходит.
При X L  X C  R , U L  U C  U R  U происходит явление усиления
напряжения на реактивных элементах. Это может отрицательно сказаться на
работе аппаратуры.
При изменении частоты питающего напряжения или параметров контура
резонанс исчезает. Напряжение на элементах цепи распределяется в соответствии с законом Ома. То есть падение напряжения на ёмкости и индуктивности
будет равно току, умноженному на их реактивные сопротивления.
Экспериментальная часть
Задание 1: Исследовать векторные диаграммы режимов работы последовательного колебательного контура.
Задание 2: Снять частотные характеристики последовательного резонансного контура: I  , U L  , U C   .
Последовательность выполнения эксперимента:
• Соберите цепь согласно схеме (рис. 5.3), значения сопротивления R рез и
ЭДС e задаются преподавателем.
Рисунок 5.3 – Схема для выполнения эксперимента
• Изменяя значения частоты входного напряжения в соответствии с таблицей 5.2, снимите показания приборов и зафиксируйте их в таблице.
33
• По формуле (5.4) определите значение резонансной частоты контура.
• По максимуму тока I, изменяя частоту приложенного напряжения,
настройте резонансный режим. Измерьте значения протекающего тока, падения
напряжения на реальной катушке индуктивности и на конденсаторе и занесите
результаты измерений в таблицу 5.1.
• Сравните экспериментальную резонансную частоту с рассчитанной по
формуле (5.4):
f 0 расчётная  _________ Гц;
f 0 экспериментальная  _________ Гц.
• Отключив питание схемы и переключив режим мультиметра V2 из режима вольтметра в режим омметра, измерьте активное сопротивление катушки
индуктивности RL  _______ Ом .
• Рассчитайте напряжение на индуктивности по формуле:
UL 
U 
2
RL
 I  R L  .
2
(5.5)
• Занесите результаты расчётов в таблицу 5.1.
Таблица 5.1 – Таблица результатов измерений и вычислений
UС, В
f, Гц
I, мА
URL, В
300
400
500
600
700
f0
850
1000
1100
1200
UL, В
• Постройте на координатных плоскостях (рис. 5.4) в одинаковом масштабе векторные диаграммы токов, напряжения на ёмкости и напряжения на
индуктивности для частот 500 Гц, f0 Гц и 1000 Гц.
34
Рисунок 5.4 – Векторные диаграммы работы режимов резонансного контура
• На координатной плоскости (рис. 4.5) постройте частотные характеристики последовательного резонансного контура.
Рисунок 5.5 – Резонансные кривые последовательного колебательного контура
• Сделайте выводы по работе.
35
5.2 Параллельное соединение конденсатора и катушки индуктивности.
Понятие о резонансе токов
Общие сведения
В цепи с параллельным соединением конденсатора и катушки индуктивности (рис. 5.6), которая также носит название параллельный колебательный (резонансный) контур, при определённых условиях может возникнуть резонанс токов.
Резонанс токов – резонанс, происходящий в параллельном колебательном контуре при его подключении к источнику напряжения, частота которого
совпадает с собственной частотой контура.
Рисунок 5.6 – Параллельный колебательный контур
Катушка индуктивности при протекании через неё переменного тока запасает энергию в своём магнитном поле, а конденсатор накапливает энергию
электрического поля. В колебательном контуре происходит периодический обмен энергией между магнитным полем катушки индуктивности и электрическим полем конденсатора. При резонансе эти энергии равны и полностью
компенсируют друг друга.
Явление резонанса токов возникает на частоте ω0, при которой индуктив1
ная проводимость катушки BL 
и ёмкостная проводимость конденсатора
L
BC    C равны между собой, т. е.
1
 C ;
(5.6)
L
1
f0 
.
(5.7)
2   L C
Примечание. При использовании реальной катушки индуктивности, которая, как уже оговаривалось ранее, обладает также активным сопротивлением,
и при наличии активного сопротивления в цепи конденсатора формула (5.7)
примет вид
BL  BC 
36
f0 
L / C  RL
1
.

L / C  RC
2   L C
(5.8)
Нетрудно заметить, что при идеальных элементах или при равенстве активных сопротивлений RL и RC формулы (5.7) и (5.8) совпадут.
С энергетической точки зрения процессы при параллельном резонансе
аналогичны процессам в цепи с резонансом напряжений. Энергия магнитного
поля катушки в течение четверти периода тока переходит в энергию электрического поля конденсатора и в последующую четверть периода возвращается обратно из конденсатора в катушку.
Питание реактивных элементов происходит от двух источников одновременно – от генератора и от другого реактивного элемента. Поэтому ток в ветвях
может стать многократно выше, чем ток источника в не разветвлённой части
схемы. В случае идеальных элементов L и C в контуре будут циркулировать
значительные токи при том, что ток от источника будет равен 0.
В режиме резонанса токов полная проводимость цепи
Y  G 2   B L  BC  ,
2
(5.9)
достигает своего минимального значения, равного активной составляющей
полной проводимости G, а полное сопротивление цепи при этом, в отличие от
резонанса напряжений, имеет максимальное значение. Поэтому ток в неразветвлённой части цепи имеет минимальное значение.
При резонансе токов имеют место следующие явления:
1. сопротивление контура наибольшее;
2. потребляемый от источника ток наименьший;
3. токи в ветвях могут значительно превышать ток, потребляемый от источника.
Явление резонанса токов имеет большое значение в электроэнергетике.
Так как основными потребителями электроэнергии являются двигатели, которые представляют собой активно-индуктивную нагрузку, то установка потребителей ёмкостной мощности вблизи приёмников позволяет снизить токи,
протекающие по ЛЭП, и тем самым уменьшить потери электроэнергии.
Экспериментальная часть
Задание 1: исследовать режимы работы последовательного колебательного контура.
Задание 2: снять экспериментально частотные характеристики параллельного резонансного контура I  , I L  , I C   .
37
Последовательность выполнения эксперимента:
• Соберите цепь согласно схеме (рис. 5.7), задание значения ЭДС источника и выбор трансформатора осуществляется преподавателем.
• Отключив питание схемы и переключив режим мультиметра V1 из режима вольтметра в режим омметра, измерьте активное сопротивление обмотки
трансформатора: RL = ___________ Ом.
Рисунок 5.7 – Схема для выполнения эксперимента
• По минимуму тока I, изменяя частоту приложенного напряжения,
настройте резонансный режим. Измерьте значения протекающего тока, падения
напряжения на обмотке трансформатора индуктивности и на конденсаторе и
занесите результаты измерений в таблицу 5.3.
• По формуле (5.8) определите значение резонансной частоты контура.
Сравните экспериментальную резонансную частоту с расчётной:
f 0 расчётная  _________ Гц;
f 0 экспериментальная  _________ Гц.
Таблица 5.3 – Результаты измерений
f, Гц
I, мА
f  0,75  f 0  _______
IRL, В
IС, В
f  f 0  _______
f  1,25  f 0  _______
• Постройте на координатных плоскостях (рис. 5.7) в одинаковом масштабе векторные диаграммы токов, напряжения на ёмкости и напряжения на
индуктивности для каждого из рассмотренных случаев.
38
Рисунок 5.8 – Векторные диаграммы работы
последовательного резонансного контура
• Соберите цепь согласно схеме (рис. 5.9), включив в неё измерительные
приборы или соответствующие гнёзда коннектора;
Рисунок 5.9 – Схема для выполнения эксперимента
• Подайте на схему синусоидальное напряжение от генератора напряжений специальной формы.
• Изменяя частоту от 0,3 до 1,2 кГц, запишите в таблицу 5.4 показания
приборов.
39
Таблица 5.4 – Таблица результатов измерений
f, Гц
I, мА
IС, мА
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
IRL, мА
• По минимуму тока I настройте резонансный режим, изменяя частоту
приложенного напряжения. Сравните экспериментальную резонансную частоту
с расчётной (см. формулу 5.8):
f 0 расчётная  _________ Гц;
f 0 экспериментальная  _________ Гц.
• По полученным результатам на координатной плоскости (рисунок 5.10)
постройте графики частотных характеристик.
Рисунок 5.10 – Резонансные кривые параллельного колебательного контура
• Сделайте выводы по работе.
40
6. ИССЛЕДОВАНИЕ ТРЁХФАЗНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ
СИНУСОИДАЛЬНОГО ТОКА
Цель работы
Понять особенности работы трёхфазной электрической цепи при схеме соединения «звезда–звезда» при симметричной и несимметричной нагрузках. Определить практическую значимость нейтрального провода в трёхфазных цепях.
Общие сведения
Трёхфазная цепь является частным случаем многофазных электрических
систем, представляющих собой совокупность электрических цепей, в которых
действуют ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые по фазе относительно друг друга
на определённый угол.
Каждую из частей многофазной системы, характеризующуюся одинаковым
током, называют фазой, т. е. фаза – это участок цепи, относящийся к соответствующей обмотке генератора или трансформатора, линии и нагрузке.
Источником трёхфазного напряжения является трёхфазный генератор, на
статоре которого (рис. 6.1) размещена трёхфазная обмотка. Фазы этой обмотки
располагаются таким образом, чтобы их магнитные оси были сдвинуты в про2π
рад.
странстве друг относительно друга на
3
Рисунок 6.1 – Трёхфазный генератор
На рисунке 6.1 каждая фаза статора условно показана в виде одного витка.
Начала обмоток принято обозначать заглавными буквами А, В, С, а концы – соответственно X, Y, Z. ЭДС в неподвижных обмотках статора индуцируются в результате пересечения их витков магнитным полем, создаваемым током обмотки
возбуждения вращающегося ротора. При вращении ротора с равномерной скоро41
стью в обмотках фаз статора индуцируются периодически изменяющиеся синусоидальные ЭДС одинаковой частоты и амплитуды, но, вследствие простран2 
рад (рис. 6.2).
ственного сдвига, отличающиеся друг от друга по фазе на
3
e
eA
eB
eC
ω·t
2·π
3
2·π
3
Рисунок 6.2 – Осциллограмма фазных ЭДС трёхфазного генератора
Трёхфазные системы в настоящее время получили наибольшее распространение. На трёхфазном токе работают все крупные электростанции и потребители,
что связано с рядом преимуществ трёхфазных цепей перед однофазными, важнейшими из которых являются:
• экономичность передачи электроэнергии на большие расстояния;
• возможность получения сразу двух эксплуатационных напряжений: фазного и линейного;
• уравновешенность симметричных трёхфазных систем;
• возможность получения с помощью неподвижных обмоток вращающегося
магнитного поля, на чём основана работа синхронного и асинхронного двигателей
(трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором является самым
надёжным и экономичным, удовлетворяющим требованиям промышленного электропривода), а также ряда других электротехнических устройств.
Трёхфазный генератор (трансформатор) имеет 3 выходные обмотки, одинаковые по числу витков, но развивающие ЭДС, сдвинутые по фазе на 120°. Можно
42
было бы использовать систему, в которой фазы обмотки генератора не были бы
гальванически соединены друг с другом (это так называемая несвязная система), но
в этом случае каждую фазу генератора необходимо соединять с приёмником двумя
проводами, т. е. будет иметь место шестипроводная схема, что неэкономично. В
этой связи подобные системы не получили широкого применения на практике.
Для уменьшения количества проводов в линии фазы генератора гальванически связывают между собой. Различают два вида соединений: в «звезду» и в
«треугольник» (рис. 6.3, в). В свою очередь при соединении в «звезду» система
может быть трёхпроводной и четырёхпроводной (рис. 6.3, а, б).
Рисунок 6.3 – Виды соединения генератор-приёмник в трёхфазных системах
43
Линейным называется провод, соединяющий начала фаз обмотки генератора и приёмника. Точка, в которой концы фаз соединяются в общий узел,
называется нейтральной или нулевой. Провод, соединяющий нейтральные точки генератора и приёмника, называется нейтральным или нулевым.
Экспериментальная часть
Задание 1: исследовать трёхфазные системы синусоидального тока с однофазной резистивной нагрузкой подключённой по схеме «звезда–звезда» и
«звезда–звезда с нейтральным проводом».
Последовательность выполнения эксперимента:
• Соберите цепь согласно схеме (рис. 6.4), значения сопротивлений резисторов для симметричной и несимметричной нагрузок задаются преподавателем.
Рисунок 6.4 – Схема для выполнения эксперимента
• Измерьте фазные токи и ток в нейтральном проводе (для четырёхпроводной схемы) соответствующими амперметрами.
• Изменяя положения входов вольтметра (на схеме не показан), измерьте
фазные и линейные напряжения схемы, а также напряжение смещения нейтрали (для схемы без нейтрального провода).
• Занесите результаты измерений в таблицу 6.1.
• Значения мощностей рассчитайте по формуле
PФ  I Ф  U Ф .
44
(6.1)
Таблица 6.1 – Результаты измерений и вычислений
Симметричная нагрузка
Несимметричная нагрузка
Измеряемая
схема без
схема с
схема без
схема с
величина
нейтральным нейтрального
нейтрального
нейтральным
провода
проводом
провода
проводом
Ra, Ом
Rb, Ом
Rc, Ом
UA, B
UB, B
UC, B
Uab, B
Ubc, B
Uca, B
Ua, B
Ub, B
Uc, B
Ia, мА
Ib, мА
Ic, мА
UnN, B
––––
––––
InN, мА
––––
––––
РA, Bт
РВ, Bт
Рс, Bт
Σ Pист, Вт
Рa, Bт
Рb, Bт
Рc, Bт
Σ Pпр, Вт
Задание 2: исследовать трёхфазную систему синусоидального тока с
нагрузкой, подключённой по схеме «звезда–треугольник».
Последовательность выполнения эксперимента:
• Соберите цепь согласно схеме (рис. 6.5), значения сопротивлений резисторов для симметричной и несимметричной нагрузок задаются преподавателем.
• Измерьте линейные и фазные токи.
• Изменяя положения входов вольтметра (на схеме не показан), измерьте
фазные и линейные напряжения схемы.
• Занесите результаты измерений в таблицу 6.2.
45
Рисунок 6.5 – Схема для выполнения эксперимента
Несимметричная
нагрузка
Симметричная
нагрузка
Таблица 6.2 – Результаты измерений
Rab, Ом
Rbc, Ом
Rca, Ом
IA, мА
IB, мА
IC, мА
Ica, мА
Ibc, мА
Iab, мА
UA, B
UB, B
UC, B
Uca, B
Ubc, B
Uab, B
Rab, Ом
Rbc, Ом
Rca, Ом
IA, мА
IB, мА
IC, мА
Ica, мА
Ibc, мА
Iab, мА
UA, B
UB, B
UC, B
Uca, B
Ubc, B
Uab, B
• Сделайте выводы по работе.
46
7. ИССЛЕДОВАНИЕПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ РЕЗИСТОРОВ
С НЕЛИНЕЙНЫМИ ВОЛЬТ-АМПЕРНЫМИ ХАРАКТЕРИСИКАМИ
Цель работы
Закрепить знания, полученные в процессе теоретического изучения
свойств и параметров полупроводниковых резисторов с нелинейными вольтамперными характеристиками.
7.1 Терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (термисторы)
Общие сведения
Термисторы – полупроводниковые элементы с нелинейной вольтамперной характеристикой и отрицательным температурным коэффициентом
сопротивления. При повышении температуры термистора его сопротивление
снижается. Изменение сопротивления может быть вызвано колебанием температуры окружающей среды, либо собственным нагревом/охлаждением при изменении параметров тока и напряжения в цепи.
Температурный коэффициент сопротивления характеризует изменение
электрического сопротивления элемента, либо участка электрической цепи при
изменении температуры на единицу:
1 dR
 
K 1 .
(7.1)
R dT
Термисторы используют в электрических цепях для компенсации роста
сопротивления, последовательно соединённых с ними, металлических элементов. С ростом температуры сопротивление металлического элемента увеличивается, в свою очередь сопротивление термистора снижается, поддерживая
суммарное значение сопротивления цепи.
 
Экспериментальная часть
Задание: исследовать зависимости сопротивления термистора и силы тока в цепи от значения прикладываемого напряжения: R = f(U), I = f(U). Изменение температуры происходит саморазогревом термистора при увеличении
напряжения.
Последовательность выполнения эксперимента:
• Соберите цепь согласно схеме (рис. 7.1).
47
Рисунок 7.1 – Схема для выполнения эксперимента
• Задавая различные значения напряжения источника (таблица 6.1) измерьте силу тока и напряжение на термисторе. Напряжение питания контролируется вольтметром V1, напряжение на тиристоре – вольтметром V2.
Измерения необходимо выполнять с интервалом не менее 30 с для достижения
установившегося теплового состояния термистора.
• Зафиксируйте результаты в таблице 7.1. Рассчитайте значение сопротивления термистора по известным силе тока и напряжению U2. Постройте
кривые R = f(U1), I = f(U1) на рисунке 7.2.
Таблица 7.1 – Таблица результатов измерений и вычислений
5
10
15
20
25
U1, В
U2, В
I, мА
R, кОм
Рисунок 7.2 – Координатная плоскость для построения характеристик
48
30
7.2 Терморезисторы с положительным температурным коэффициентом
сопротивления (позисторы)
Общие сведения
Позисторы – полупроводниковые элементы с нелинейной вольт-амперной
характеристикой и положительным температурным коэффициентом сопротивления. При повышении температуры термистора его сопротивление растет. Изменение сопротивления может быть вызвано колебанием температуры
окружающей среды, либо собственным нагревом/охлаждением при изменении
параметров тока и напряжения в цепи.
Позисторы зачастую применяют в качестве защитных элементов электрических схем от перегрузок по напряжению и току. Кроме того, позисторы
могут использоваться в качестве термочувствительных и автостабилизирующих элементов.
Экспериментальная часть
Задание: Исследовать зависимости сопротивления позистора и силы
тока в цепи от значения прикладываемого напряжения: R = f(U), I = f(U). Изменение температуры происходит саморазогревом позистора при увеличении
напряжения.
Последовательность выполнения эксперимента:
• Соберите цепь согласно схеме (рисунок 7.3).
Рисунок 7.3 – Схема для выполнения эксперимента
• Задавая различные значения напряжения источника (табл. 7.2) измерить
силу тока через позистор. Напряжение питания контролируется вольтметром.
Измерения необходимо выполнять с интервалом не менее 30 с для достижения
установившегося теплового состояния позистора.
• Зафиксировать результаты в таблице 7.2. Рассчитать значение сопротивления позистора по известным силе тока и напряжению. Построить кривые
R = f(U1), I = f(U1) на рисунке 7.4.
49
Таблица 7.2 – Таблица результатов измерений и вычислений
U, В
2
5
10
15
20
I, мА
R, Ом
25
30
Рисунок 7.4 – Координатная плоскость для построения характеристик
7.3 Резисторы с зависимостью сопротивления от напряжения
(варисторы)
Общие сведения
Варисторы – полупроводниковые элементы с нелинейной вольт-амперной
характеристикой, сопротивление и проводимость которых нелинейно зависит
от прикладываемого напряжения. Превышение порогового значения напряжения сопровождается интенсивным снижением сопротивления.
Наиболее распространёнными материалами при производстве варисторов являются карбид кремния (SiC), либо оксид цинка (ZnO) со связующими веществами
(глина, лаки, смолы и т. д.). От материала сильно зависит нелинейность вольтамперной характеристики варистора, определяющая параметр нелинейности:
1
R
 dU 

 R 
  const ,
Rd
 dI 
где
(7.2)
Rd – динамическое сопротивление варистора.
Варисторы находят широкое применение в качестве элементов стабилизации и регулирования токов и напряжений. Используются в цепях защиты от
перенапряжений.
50
Экспериментальная часть
Задание: исследовать зависимости сопротивления варистора и силы тока
в цепи от значения прикладываемого напряжения: R = f(U), I = f(U).
Последовательность выполнения эксперимента:
• Соберите цепь согласно схеме (рис. 7.5).
Рисунок 7.5 – Схема для выполнения эксперимента
• Задавая различные значения напряжения источника (табл. 7.3) измерить
силу тока в цепи. Напряжение питания контролируется вольтметром.
• Зафиксировать результаты в таблице 7.3. Рассчитать значение сопротивления варистора по известным силе тока и напряжению. Построить кривые
R = f(U1), I = f(U1) на рисунке 7.6.
Таблица 7.3 – Таблица результатов измерений и вычислений
U, В
6
8
10
12
14
I, мА
R, Ом
16
Рисунок 7.6 – Координатная плоскость для построения характеристик
51
17
8. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДОВ
Цель работы
Закрепить знания о свойствах, параметрах и возможностях применения
полупроводниковых выпрямительных диодов и стабилитронов. Уточнить особенности работы полупроводниковых выпрямителей.
Общие сведения
Диод – двухэлектродный электронный прибор, обладает различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока и содержащий
n-проводящий и р-проводящий слои (рис. 8.1). В n-проводящем слое в качестве
свободных носителей заряда преобладают электроны, а в р-проводящем слое –
дырки. Существующий между этими слоями р-n-переход имеет внутренний потенциальный барьер, препятствующий соединению свободных носителей заряда.
а
б
Рисунок 8.1 – Структура, условное обозначение и принцип действия
полупроводникового диода при прямом приложении напряжения
Различают следующие виды диодов:
• по типу полупроводникового материала – кремниевые, германиевые, из
арсенида галлия;
• по назначению – выпрямительные, импульсные, стабилитроны, варикапы и др.;
• по технологии изготовления электронно-дырочного перехода – сплавные, диффузионные и др.;
• по типу электронно-дырочного перехода – точечные и плоскостные.
8.1 Прямое и обратное включение полупроводниковых диодов
Общие сведения
Электронно-дырочный переход часто называют p-n-переходом. В основе
принципа действия полупроводникового диода – свойства p-n-перехода, в частности, сильная асимметрия вольт-амперной характеристики относительно нуля. Ве52
личина и полярность внешнего напряжения, приложенного к p-n-переходу, определяют поведение перехода и проходящий через него электрический ток. Так, если положительный полюс источника питания подключается к p-области,
а отрицательный – к n-области, то включение p-n-перехода называют прямым. При изменении указанной полярности включение p-n-перехода называют обратным.
При прямом включении p-n-перехода (рис. 8.1, б) внешнее напряжение создаёт в переходе поле, которое противоположно по направлению внутреннему
диффузионному полю. Напряжённость результирующего поля падает, что сопровождается сужением запирающего слоя. В результате этого большое количество
основных носителей зарядов получает возможность диффузионно переходить в
соседнюю область. Диффузионный ток зависит от высоты потенциального барьера (при снижении высоты увеличение тока происходит по экспоненте).
При включении p-n-перехода в обратном направлении внешнее обратное
напряжение создаёт электрическое поле, совпадающее по направлению с диффузионным, что приводит к росту потенциального барьера и увеличению ширины запирающего слоя. Всё это уменьшает диффузионные токи основных
носителей. Для неосновных носителей поле в p-n-переходе остаётся ускоряющим, и поэтому дрейфовый ток не изменяется.
Экспериментальная часть
Задание: снять вольт-амперную характеристику полупроводникового диода в прямом и обратном направлениях.
Последовательность выполнения эксперимента:
• При исследовании выпрямительных диодов применяются следующие
обозначения:
Uпр – напряжение, приложенное к диоду при прямой полярности;
Iпр – ток через диод при прямой полярности;
Uобр – напряжение, приложенное к диоду при обратной полярности;
Iобр – ток через диод при обратной полярности.
• К диоду (рис. 8.3, а) при прямой полярности приложите напряжение постоянного тока Uпр, величины которого указаны в таблице 8.1, измерьте с помощью мультиметра соответствующие токи Iпр и их значения занесите в таблицу 8.1.
• Поменяйте полярность диода, как показано на рисунке 8.3, б, и повторите
эксперимент при величинах обратных напряжений, указанных в таблице 8.2. Для
получения напряжений более 15 В соедините два источника последовательно.
53
а) прямая полярность
б) обратная полярность
Рисунок 8.3 – Схема для выполнения эксперимента
Таблица 8.1 – Результаты измерений при прямой полярности включения диода
Uпр, В
Iпр, мА
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,55
0,6
0,65
0,7
Таблица 8.2 – Результаты измерений при обратной полярности включения диода
Uобр, В
Iобр, мкА
0
3
7
10
15
20
25
28
30
• Используя измеренные данные из таблиц 8.1 и 8.2, постройте на координатной плоскости (рис. 8.4) вольт-амперную характеристику диода.
Рисунок 8.4 – Статическая вольт-амперная характеристика диода
54
8.2 Выпрямление электрических колебаний
Общие сведения
Выпрямление электрических колебаний  это процесс, в результате которого знакопеременное электрическое колебание преобразуется в колебание
только одного знака. Пример такого выпрямления показан на рисунке 8.5, где
uвх(t) – знакопеременное синусоидальное напряжение на входе выпрямителя,
uвых1(t) – напряжение после однополупериодного выпрямителя, а uвых2(t) –
напряжение на выходе двухполупериодного выпрямителя.
Рисунок 8.5 – Выпрямление электрических колебаний
Выпрямителями называются устройства, преобразующие электрическую
энергию переменного тока в энергию постоянного тока. Структурная схема выпрямителя представлена на рисунке 8.6.
Рисунок 8.6 – Структурная схема выпрямителя
На схеме приняты следующие обозначения:
Силовой трансформатор – преобразует переменное питающее напряжение (необходимое напряжение, гальваническая развязка).
Вентиль – обладает односторонней проводимостью и обеспечивает преобразование переменного тока в выпрямленный (ток одного направления).
Сглаживающий фильтр – преобразует выпрямленный ток в ток, близкий
по форме к постоянному току.
55
Нагрузка – активная, активно-индуктивная, активно-ёмкостная, противоЭДС.
Основными характеристиками выпрямителей являются:
Номинальное напряжение постоянного тока – среднее значение выпрямленного напряжения, заданное техническими требованиями. Обычно указывается напряжение до фильтра U0 и напряжение после фильтра (или отдельных
его звеньев) – U. Определяется значением напряжения, необходимым для питаемых выпрямителем устройств.
Номинальный выпрямленный ток I0 – среднее значение выпрямленного
тока, т. е. его постоянная составляющая, заданная техническими требованиями.
Определяется результирующим током всех цепей, питаемых выпрямителем.
Напряжение сети Uсети – напряжение сети переменного тока, питающей
выпрямитель. Стандартное значение этого напряжения для бытовой сети –
220 В с допускаемыми отклонениями не более 10 %.
Пульсация – переменная составляющая напряжения или тока на выходе
выпрямителя. Это качественный показатель выпрямителя.
Частота пульсаций – частота наиболее резко выраженной гармонической
составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя. Для самой простой однополупериодной схемы выпрямителя частота пульсаций равна частоте
питающей сети. Двухполупериодные, мостовые схемы и схемы удвоения
напряжения дают пульсации, частота которых равна удвоенной частоте питающей сети. Многофазные схемы выпрямления имеют частоту пульсаций, зависящую от схемы выпрямителя и числа фаз.
Коэффициент пульсаций – отношение амплитуды наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя к среднему значению напряжения или тока. Различают коэффициент
пульсаций на входе фильтра (p0, %) и коэффициент пульсаций на выходе фильтра (p, %). Допускаемые значения коэффициента пульсаций на выходе фильтра
определяются характером нагрузки.
Колебания (нестабильность) напряжения на выходе выпрямителя – изменение напряжения постоянного тока относительно номинального. При отсутствии
стабилизаторов напряжения определяются отклонениями напряжения сети.
Однополупериодный выпрямитель использует только одну половину переменного напряжения. Как следствие, постоянное напряжение низкое по величине и имеет значительные пульсации.
В случае мостового выпрямителя со схемой (рисунок 8.7) описанного
недостатка удаётся избежать. Здесь полуволны противоположных полярностей суммируются, и среднее значение выпрямленного напряжения увеличивается в два раза.
56
Рисунок 8.7 – Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя
и её временная диаграмма
Экспериментальная часть
Задание: исследовать свойства мостового выпрямителя с помощью осциллографа.
Последовательность выполнения эксперимента:
• Соберите цепь согласно схеме (рис. 8.8) без сглаживающего фильтра.
При сборке схемы обратите внимание на полярность электрического конденсатора. Трансформатор с коэффициентом трансформации, равным 1.
Рисунок 8.8 – Схема для выполнения эксперимента по исследованию
осциллограммы выходного напряжения мостового выпрямителя
• Установите параметры развёртки осциллографа (Scope) по осям для
наглядного отображения не менее одного периода колебаний сигналов
напряжений.
• Перенесите на координатную плоскость (рис. 8.9) осциллограммы входного и выходного напряжений диодного моста.
• Сделайте измерения и запишите в таблицу 8.3 значения: Uвх, Ud,
∆Uпульс.
57
Рисунок 8.9 – Осциллограммы входного и выходного напряжений схемы
• Рассчитайте
k пульс 
ΔU пульс
Ud

и
запишите
в
таблицу 7.3
коэффициенты:
Ud
U вх
и
U dmax  U dmin
.
Ud
• Параллельно нагрузочному резистору Rнагр подключите сглаживающий
конденсатор C. Повторите предыдущие действия со всеми конденсаторами (ёмкость конденсаторов указана в табл. 8.3) и дополните графики выпрямленного
напряжения на рисунке 8.9.
Таблица 8.3 – Результаты измерений и вычислений
С, мкФ
0
1
Uвх, В
Ud, В
∆Uпульс, В
Ud
U вх
kпульс
• Сделайте выводы по работе.
58
10
100
8.3 Исследование полупроводниковых стабилитронов
Общие сведения
Стабилитрон представляет собой кремниевый диод, характеристика которого в открытом состоянии такая же, как у выпрямительного диода. Отличие
стабилитрона в относительно низком напряжении пробоя при обратном напряжении. Когда это напряжение превышено, ток обратного направления возрастает скачком (эффект Зенера). В выпрямительных диодах такой режим является
аварийным, а стабилитроны нормально работают при обратном токе, не превышающем максимально допустимого значения.
Принцип действия стабилитрона: на его вольт-амперной характеристике
имеется участок, где напряжение почти не зависит от величины протекающего
тока. Таким, является участок электрического пробоя, а за счёт легирующих
добавок в полупроводнике, ток электрического пробоя изменяется в широком
диапазоне, не переходя в тепловой пробой. Так как участок электрического
пробоя – это обратное напряжение, то стабилитрон включается обратным
включением.
В общем, стабилитрон поддерживает постоянство напряжения при изменении тока через него от Iст min до Iст max.
Благодаря характерным особенностям стабилитронов (поддерживать постоянное значение напряжения на приборе за счёт изменения своего сопротивления)
стабилитроны подключают параллельно нагрузке. При параллельном соединении напряжение на элементах ветвей одинаковое, т. к. стабилитрон не допустит
напряжение больше напряжения стабилизации, то и нагрузка будет в безопасности от перенапряжения. Помимо стабилитрона в схему между источником и
связкой стабилитрон-нагрузка необходимо включение так называемого балластного резистора для ограничения протекающего тока.
Величина его вычисляется следующим образом:
U  U ст
Rбал  раб
,
(8.1)
I нагр  I ст
где
U раб – приложенное рабочее напряжение;
U ст – напряжение стабилизации стабилитрона испытываемого типа;
I ст – допустимый ток стабилизации;
I нагр – ток в резисторе нагрузки Rнагр , включённом параллельно стабилитрону.
Задание: исследовать зависимости: тока от напряжения стабилитрона
(вольт-амперная характеристика) ( I ст U вых  ), выходного напряжения и тока ста59
билитрона от входного напряжения в цепи параметрического стабилизатора
напряжения I ст U вх  и U вых U вх  .
Последовательность выполнения эксперимента:
• Соберите цепь согласно схеме (рис. 8.10). Устанавливая последовательно величины входного напряжения постоянного тока по таблице 8.4, измерьте
соответствующие выходные напряжение и ток стабилитрона посредством
мультиметров. Результаты занести в таблицу 8.4.
Рисунок 8.10 – Схема для выполнения эксперимента
Таблица 8.4 – Результаты измерений (обратное подключение)
Uвх, В
Uвых, В
Iст, мА
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
• Измените полярность подключения стабилитрона, измерьте значения
тока и напряжения стабилитрона при различных значениях напряжения питания и занесите результаты в таблицу 8.5.
Таблица 8.5 – Результаты измерений (прямое подключение)
Uвх, В
Uвых, В
Iст, мА
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
• Постройте на координатной плоскости (рис. 8.11) вольт-амперную характеристику стабилитрона I ст U вых  ). При построении прямого (положительного) участка характеристики используйте показания таблицы 8.5. При
построении обратного (отрицательного) участка используйте данные таблицы
8.4 с отрицательным знаком.
• Постройте на координатной плоскости (рис. 8.12) кривые зависимостей
I ст U вх  и U вых U вх  .
60
Рисунок 8.11 – Статическая вольт-амперная характеристика стабилитрона
Рисунок 8.12 – Кривые зависимостей I ст U вх  и U вых U вх 
61
9. СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
Цель работы
Посредством проведения экспериментального исследования освоить зависимости рабочих параметров биполярного транзистора и закрепить теоретические знания в части особенностей работы транзисторов.
Общие сведения
Транзистор (рис. 9.1) представляет собой полупроводниковый триод, тонкий р-проводящий слой которого помещён между двумя n-проводящими слоями (n-р-n транзистор) или n-проводящий слой помещён между двумя рпроводящими слоями (р-n-р транзистор).
p
Э
а)
IЭ
P
N
P
+
К
Б
Э
б)
Б
К
+
+
UКБ
IБ
К
n
–
Б
p
Э
n
–
–
–
IЭ
–
–
Б
Э
IК
+
UЭБ
IК
Б – база
p
+
К
N
P
N
+
n
UБК
UБЭ
IБ
К – коллектор
Э – эмиттер
Рисунок 9.1 – Структура, условные обозначения
и принцип действия биполярных транзисторов
В транзисторе р-n-р типа (рис. 9.1, а) ток эмиттера к коллектору через базу обусловлен неосновными для базы носителями заряда – дырками. При положительном направлении напряжения UЭБ эмиттерный р-n-переход открывается,
и дырки из эмиттера проникают в область базы. Часть из них уходит к источнику напряжения UЭБ, а другая часть достигает коллектора. Возникает так называ62
емый транзитный ток от эмиттера к коллектору. Он резко возрастает с увеличением UЭБ и тока базы.
В транзисторе n-р-n типа (рис. 9.1, б) транзитный ток через базу обусловлен
также неосновными для неё носителями заряда – электронами. Там они появляются
из эмиттера, если к эмиттерному р-n-переходу прикладывается напряжение UБЭ,
полярность которого показана на рисунке 9.1, б.
Свойства транзисторов описываются следующими четырьмя семействами
характеристик.
1. Входная характеристика показывает зависимость тока базы IБ от напряжения в цепи база/эмиттер UБЭ (при UКЭ = const).
2. Выходная характеристика показывает зависимость тока коллектора IК от
напряжения цепи коллектор/эмиттер UКЭ при различных фиксированных значениях тока базы.
3. Характеристика управления представляет собой зависимость тока коллектора IК от тока базы IБ (при UКЭ = const).
4. Характеристика обратной связи есть зависимость напряжения цепи база/эмиттер UБЭ, соответствующего различным неизменным значениям тока базы, от напряжения цепи коллектор/эмиттер UКЭ при различных фиксированных
значениях тока базы.
Экспериментальная часть
Задание: снять статические характеристики биполярного транзистора.
Последовательность выполнения эксперимента:
• Соберите цепь согласно схеме (рис. 9.2). Потенциометр 1 кОм используется для регулирования тока базы, резисторы 100 и 47 кОм – для ограничения
максимального тока базы. Измерение тока базы IБ и напряжение UБЭ производятся мультиметрами на пределах 200 мкА и 2 В соответственно. Регулирование напряжения UКЭ осуществляется регулятором источника постоянного
напряжения, ток коллектора IК и напряжение UКЭ измеряются виртуальными
приборами (пределы измерения коллектора изменяются в ходе работы по мере
необходимости или по подсказкам компьютера).
• Установите первое значение тока базы 20 мкА и, изменяя напряжение
UКЭ согласно значениям, указанным в таблице 9.1, снимите зависимости IК(UКЭ)
и UБЭ(UКЭ). Повторите измерения при каждом значении IБ, указанном в таблице.
Примечание. Характеристики транзистора изменяются в ходе работы изза его нагрева. Поэтому для большей определённости рекомендуется установить нужные значения IБ и UКЭ, выключить на 30 с блок генераторов напряжений, затем включить его и быстро записать показания приборов V1 и А2.
63
• Установите UКЭ = 0 и, изменяя ток базы в соответствии со значениями,
указанными в таблице 9.2, снимите зависимость UБЭ(IБ). Увеличьте напряжение
UКЭ до 5 В и снова снимите зависимость UБЭ(IБ). Повторите этот опыт также
при UКЭ =15 В (при проведении этих измерений также учитывайте примечание
к предыдущему опыту.)
Рисунок 9.2 – Схема для выполнения эксперимента
Таблица 9.1 – Результаты измерений
IБ = 20 мкА
IБ = 40 мкА
UКЭ, В
IK, мА UБЭ, В IK, мА UБЭ, В
0
0,5
1
2
5
9
12
15
Таблица 9.2 – Результаты измерений
UКЭ = 0 В
UКЭ = 5 В
IБ, мкА
IK, мА UБЭ, В IK, мА UБЭ, В
0
5
10
20
40
60
64
IБ = 60 мкА
IK, мА UБЭ, В
IБ = 80 мкА
IK, мА UБЭ, В
UКЭ = 10 В
IK, мА UБЭ, В
UКЭ = 15 В
IK, мА UБЭ, В
80
• На координатной плоскости (рис. 9.3) постройте графики семейства выходных характеристик IК(UКЭ) и семейства характеристик обратной связи
UБЭ(UКЭ), не забыв указать, какому току базы соответствует каждая кривая.
• На координатной плоскости (рис. 9.3) постройте графики входных
UБЭ(IБ) и регулировочных IК(IБ) характеристик, указав для каждой кривой соответствующие значения UКЭ.
65
Рисунок 9.3 – Координатная плоскость для построения характеристик
10. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ
СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА
Цель работы
Экспериментально проверить и закрепить знания в области математического описания процесса функционирования однофазных двухобмоточных
трансформаторов.
Общие сведения
Трансформатором называют статическое устройство, имеющее две или
большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока.
Основными элементами любого трансформатора являются стальной магнитопровод 1 и обмотки 2 и 3 (рис. 10.1, а). Магнитопровод служит для размещения на нём обмоток и усиления индуктивной связи между обмотками.
Рисунок 10.1 – Трансформатор:
а – электромагнитная схема;
б, в – условные обозначения на электрических схемах
В зависимости от количества N обмоток трансформаторы бывают
двухобмоточными (N = 2), трёхобмоточными (N = 3) и многообмоточными
(N > 3).
Первичной обмоткой трансформатора называют обмотку, к которой подводят электрическую энергию, а вторичной – обмотку, к которой подключают
приёмник электрической энергии. Величины, относящиеся к первичной или
вторичной обмоткам, отмечают индексами 1 или 2 соответственно.
66
Обмотку, рассчитанную на более высокое напряжение, называют обмоткой высшего напряжения (ВН), а рассчитанную на более низкое напряжение –
обмоткой низшего напряжения (НН). Выводы обмотки ВН однофазного трансформатора обозначают прописными латинскими буквами А и X, а обмотки
НН – строчными латинскими буквами a и x.
Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной
индукции. Так, если к первичной обмотке подвести переменное напряжение u1,
то в ней появится переменный ток i1. Ток i1 создаёт переменную магнитодвижущую силу (МДС) i1·w1, которая, в свою очередь, создаёт переменный магнитный поток Ф, замыкающийся в основном по стальному магнитопроводу.
Этот магнитный поток называют основным магнитным потоком. Основной
магнитный поток сцепляется со всеми витками как первичной, так и вторичной
обмоток трансформатора и, согласно закону электромагнитной индукции, индуцирует в них переменные ЭДС e1 и e2 соответственно. Если теперь к зажимам
вторичной обмотки подключить приёмник электроэнергии, то под действием
ЭДС e2 в приёмнике возникнет переменный ток i2.
Описанное выше можно проиллюстрировать логической схемой:
е1
u1  i1  i1  w1  Ф
е2  i2
Для упрощения анализа электромагнитных процессов в трансформаторе
вводится схема замещения, в которой магнитная связь заменяется электрической, и коэффициент трансформации. Параметрами такой цепи являются параметры обмоток трансформатора и взаимно индуктивной связи.
В данной работе рассматривается Т-образная схема замещения (рис. 10.2).
Рисунок 10.2 – Т-образная схема замещения трансформатора
67
В лабораторной работе используются трансформаторы с разъёмным сердечником и сменными катушками (табл. 10.1).
Таблица 10.1 – Номинальные параметры используемых трансформаторов
W
100
300
900
UH, B
2,33
7
21
IH, мА
600
200
66,7
R, Ом
0,9
4,8
37
SH, BA
1,4
1,4
1,4
Экспериментальная часть
Задание: исследовать трансформатор в режимах холостого хода (х. х.),
короткого замыкания (к. з.) и под нагрузкой, и по результатам определить параметры Т-образной схемы замещения двухобмоточного трансформатора.
Последовательность выполнения эксперимента:
• Соберите электрическую цепь (см. рис. 10.3) с трансформатором с числом витков W1 = 300 и W2 = 100, W2 = 300 или W2 = 900 по указанию преподавателя. Сопротивление Rдоб служит для ограничения тока в опыте короткого
замыкания.
• Обеспечьте режим холостого хода RH = ∞ и запишите показания мультиметров в таблицу 10.2.
• Установите параметры развертки осциллографа (Scope) по осям для
наглядного отображения не менее одного периода колебаний сигналов. Обратите внимание, что один из каналов осциллографа должен быть инвертирован.
• Определите значение угла сдвига фазы между падениями напряжений
на активном сопротивлении и на первичной обмотке трансформатора. Запишите значение в таблицу 10.2.
• Рассчитайте активную мощность первичной обмотки по формуле:
P1  U1  I1  cos 1.
(10.1)
Рисунок 10.3 – Схема для выполнения эксперимента
68
• Проделайте опыт короткого замыкания по тому же порядку. Предварительно добавьте сопротивление Rдоб = 22 Ом и перемычку между выходными
зажимами.
• Подберите более точно Rдоб так, чтобы ток I1 был примерно (с точностью ±5 %) равен номинальному току (200 мА) обмотки 300 витков. Для этого
можно использовать параллельное или последовательное соединение сопротивлений, имеющихся в наборе. Запишите результаты измерений в таблицу 9.2.
• Проведите опыт при нагрузочном режиме по тому же порядку. Для этого замените Rдоб снова на перемычку и подберите сопротивление RH так, чтобы
токи были близки к номинальным (с точностью ±20 %). Сделайте измерения и
запишите результаты в таблицу 10.2.
Таблица 10.2 – Результаты измерений
U1, В
U2, В
Показатели
Опыт х. х.
Опыт к. з.
Нагрузочный
режим
I1, мА
I2, мА
φ1, °
P1, Вт
• Сделайте расчёт параметров Т-образной схемы замещения трансформатора и запишите результаты в таблицу 10.3.
Таблица 10.3 – К расчёту параметров схемы замещения трансформатора
Из опыта х. х.
Ед. изм.
Из опыта к. з.
Ед. изм.
kТР  U1 / U 2  ...
kТР  I 2 / I1  ....
‒
‒
Z m  U1 X / I1 X  ...
Z K  U1K / I1K  ....
Ом
Ом
Rm = Zm · cos(φ1X) = …
Ом
RK = ZK· cos(φ1K) = …
Ом
Xm = Zm· sin(φ1X) = …
Ом
XK = ZK · sin(φ1K) = …
Ом
• Остальные параметры схемы замещения двухобмоточного трансформатора рассчитываются по формулам:
R1  RK / 2; 

2
; 
R2  r1 / kТР
(10.2)
.
X  1  X K / 2; 
2 
.
X  2  x 1 / kТР
69
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Иванов, И. И. Электротехника и основы электроники : учеб. /
И. И. Иванов, Г. И. Соловьёв, В. Я. Фролов. – 7-е изд., перераб. и доп. – СПб. :
Лань, 2012. – 736 с. : ил.
2. Сенигов, П. Н. Руководство по выполнению базовых экспериментов.
Электрические цепи постоянного тока / П. Н. Сенигов, Ю. П. Галишников,
Н. Н. Беглецов. – Челябинск : ЮЦрГУ, 2003. – 73 с. : ил.
3. Сенигов, П. Н. Руководство по выполнению базовых экспериментов.
Электрические цепи переменного тока / П. Н. Сенигов, Ю. П. Галишников,
Н. Н. Беглецов. – Челябинск : ЮЦрГУ, 2003. – 133 с. : ил.
4. Сенигов, П. Н. Руководство по выполнению базовых экспериментов.
Электронные приборы и устройства / П. Н. Сенигов, Ю. П. Галишников,
Н. Н. Беглецов. – Челябинск : ЮЦрГУ, 2004. – 104 с. : ил.
5. Ягубов, З. Х. Физические основы электроники : учеб. пособие /
З. Х. Ягубов. – Ухта : УГТУ, 2005. – 100 с. : ил.
6. Дементьев, И. А. Учебно-лабораторный практикум по дисциплине «Электротехника и электроника» / И. А. Дементьев, Л. П. Бойченко. – Ухта : УГТУ,
2016. – 72 с. : ил.
6. Дементьев, И. А. Учебно-лабораторный практикум по дисциплине «Электроника» : метод. указания. Часть I / И. А. Дементьев, Л. П. Бойченко. – Ухта :
УГТУ, 2013. – 36 с. : ил.
7. Дементьев, И. А. Учебно-лабораторный практикум по дисциплине «Электроника» : метод. указания. Часть II / И. А. Дементьев, Л. П. Бойченко. – Ухта :
УГТУ, 2013. – 44 с. : ил.
8. Дементьев, И. А. Учебно-лабораторный практикум «Электротехника и
электроника» / И. А. Дементьев, С. В. Полетаев, К. Е. Чаадаев. – Ухта : УГТУ,
2013. – 47 с. : ил.
9. Быстров, Ю. А. Электронные цепи и микросхемотехника : учеб. /
Ю. А. Быстров, И. Г. Мироненко. – М. : Высш. шк., 2002. – 384 с.
10. Воронин, П. А. Силовые полупроводниковые ключи : семейства, характеристики, применение / П. А. Воронин. ‒ 2-е изд., перераб. и доп. – М. : Додэка
ХХI, 2005. – 384 с.
11. Гусев, В. Г. Электроника и микропроцессорная техника : учеб. для вузов /
В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. ‒ 3- изд., перераб. и доп. – М. : Высш. шк., 2004. – 790 с.
12. Данилов, И. А. Общая электротехника с основами электроники : учеб. пособие / И. А. Данилов, П. М. Иванов. ‒ 4-е изд. – М. : Высш. шк., 2000. – 752 с.
70
Приложение 1
ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЁТОВ ПО ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ
К выполнению лабораторной работы допускаются студенты, защитившие
предыдущую лабораторную работу и с оформленным и скреплённым бланком
отчёта. Отчёты выполняются на листах формата А4 в печатном или в письменном виде в отдельной тетради (единообразно в каждой группе).
1. Содержание отчёта:
 1-й лист – титульный лист (образец на следующей странице).
 Содержание и оформление 2-го и последующих листов:
Название лабораторной работы
Цель работы
Теоретическая часть
Краткие теоретические сведения по теме лабораторной работы. Объём, не
регламентирован, но учтите, что при защите лабораторной работы студент может
пользоваться лишь своим отчётом. Поэтому, рекомендуется расширить приведённую к лабораторной работе теорию. В качестве источников информации для теоретической части можно использовать любые источники, например, лекции по
дисциплине, печатные и электронные учебники, сеть Интернет.
Последовательность выполнения эксперимента
Используйте методические указания для оформления пункта.
Обязательно должны быть включены схемы для выполнения эксперимента, оформленные по ГОСТ, а также незаполненные результатами измерений (и
вычислений) таблицы (разрывы таблиц запрещены) и (если требуется) координатные плоскости для оформления графиков.
Вывод: сформулировать выводы по работе (пишется вручную).
Список использованной литературы.
Примечание. Если лабораторная работа состоит из нескольких экспериментов, то отчёт оформляется для каждого эксперимента отдельно с одним титульным листом.
2. Оформление текста
 Шрифт 14 пт, Times New Roman; Межстрочный интервал: 1,5 строки.
 Интервалы ДО и ПОСЛЕ между абзацами текста запрещены.
 Интервал шрифта: масштаб 100 %, интервал: обычный.
 Выравнивание по ширине, абзацный отступ 1,25 см.
 Шрифт обычный, не полужирный и не подчёркнутый. Курсив допускается только для выделения отдельных важных моментов по тексту.
71
 Если в тексте есть аббревиатуры, то сначала указывается полный вари-
ант, потом в скобках аббревиатура и далее по тексту уже можно ей пользоваться.
 Сокращения допускаются только общепринятые (т. о., т. е., т. д., т. п.).
Между буквами ставятся неразрывный пробел (Shift+Ctrl+Пробел).
 Поля: 2 см верхнее и нижнее, 3,0 и более – левое, 1,0 и более – правое.
 Нумерация страниц ВЕЗДЕ, кроме титульного листа: снизу и по центру.
3. Оформление таблиц:
 Отделяются одной строкой ДО и ПОСЛЕ.
 Ширина таблицы: 100%. Поля таблицы: см. таблицу П.1.
 Таблицы подписываются по форме:
Таблица Х.Y – Название таблицы по левому краю без отступа, без точек после
нумерации и названия
 Нумерация таблиц по принципу: X – номер подраздела; Y – порядко-
вый номер таблицы в подразделе.
 В таблицах допускаются шрифты от 12 до 14 пт и одинарный интервал.
 Ссылки в тексте обязательны и в полной форме (см. выше).
Таблица П.1 – Поля таблицы (пример таблицы)
Верхнее поле
Нижнее поле
0
0
Левое поле
Правое поле
0
0
4. Оформление списков:
 Единый стиль по всему тексту.
 Выравнивание по ширине.
5. Оформление формул:
 Microsoft Equation 3. Шрифт: Times New Roman, размеры показаны на
рисунке П1:
Рисунок П1 – Настройка размеров в Microsoft Equation 3
 Отделяются от текста одной строкой до и после формулы. Если формул
несколько, то отделяются только крайние, между формулами расстояние равно
межстрочному интервалу.
 Формула – это часть текста, поэтому пунктуация ОБЯЗАТЕЛЬНА.
72
 Нумерация формул обязательна при ссылках на них по тексту.
 Нумерация по форме: (X.Y) справа от формулы (одинаковый уровень
по всему тексту), X – номер раздела, Y – порядковый номер формулы в разделе.
 Расшифровка элементов формулы по 1 уровню каждый элемент через «;».
 Пример оформления формулы:
U
I ab  ab ,
(1.1)
Rab
где
I ab – электрический ток в первой ветви, А;
U ab – электрическое напряжение на участке a b , В;
Rab – электрическое сопротивление приёмника первой ветви, Ом.
6. Оформление рисунков:
 Отступ от основного текста: 1 (одна) строка ДО рисунка и ПОСЛЕ
подрисуночной подписи (если только не в начале или не в конце страницы).
 Выравнивание: по центру.
 Положение рисунка: по тексту.
 Ссылки в тексте обязательны в полной форме.
 Подписываются по форме:
Рисунок Х – Название рисунка, по центру, без точек после нумерации и названия (пример на рисунке П1)
 Цветные рисунки печатаются обязательно на цветном принтере.
 Текст на рисунках должен быть читаемым (рекомендуется 12–14 пт).
 Если на рисунке изображена какая-либо схема с нумерованными обо-
значениями, то ДО подрисуночной подписи приводится расшифровка этих
обозначений.
 Допускается выполнение СХЕМ карандашом, но обязательно по линейке и с соблюдением размеров (см. табл. П1).
Таблица П1 – Стандартные условные графические и буквенные обозначения
некоторых элементов электрических схем
Е
Источник ЭДС
R
Резистор,
активное сопротивление
73
L
Катушка индуктивности,
индуктивное сопротивление
С
Конденсатор,
ёмкостное сопротивление
А*
Амперметр
V*
Вольтметр
VD
Выпрямительный диод
V
Стабилитрон
VT
Биполярный транзистор
7. Оформление списка использованной литературы:
 С новой страницы, по середине, ПРОПИСНЫМИ БУКВАМИ.
 Располагается ПОСЛЕ основного текста.
 Внутри нумерованный список.
 Ссылки на все источники должны быть в тексте работы: номер по
списку в квадратных скобках. Нумерация источников строго в соответствии с
текстом и по его ходу.
___________________________________________________________________
* – обозначения внутри круга
 Пример оформления списка использованной литературы с различными
источниками:
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Иванов, Б. А. Частотная коррекция линейных систем автоматического управления [Текст] : учеб. пособие / Б. А. Иванов, Н. С. Тимошенко, К. Н. Соловей. –
Ухта : УИИ, 1996. – 78 с.: ил.
2. Определение понятия «электропривод» [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://bourabai.kz/toe/electro01.htm (дата обращения 27.06.2013).
74
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Ухтинский государственный технический университет»
(УГТУ)
Кафедра электрификации и автоматизации технологических процессов
ОТЧЁТ
о выполнении лабораторной работы № X
Название лабораторной работы
Выполнил (а):
студент (ка) гр. ГР-1Х (дата выполнения и подпись ручкой)
Проверил (а):
(дата защиты и подпись ручкой)
Ухта 201Х
75
И. О. Фамилия
И. О. Фамилия
Приложение 2
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ
Лабораторные работы № 1, 2, 3, 4. Цепи постоянного тока
1. Определение электрической цепи. Классификация цепей.
2. Элементы электрических цепей. Разновидности соединений элементов и
их особенности.
3. Электрические схемы (принципиальная, монтажная, замещения). Условнографические обозначения элементов цепей.
4. Напряжение, сила тока, электродвижущая сила, сопротивление, проводимость – определения.
5. Зависимость сопротивления от температуры. Ёмкость плоского конденсатора.
6. Нелинейные элементы электрических цепей. Общая характеристика.
7. Закон Ома в различных формах.
8. Законы Кирхгофа. Формулировка, правила составления уравнений.
9. Прямое и обратное преобразования схемы соединения трёхлучевой звездой в треугольник.
10. Расчёт электрических цепей эквивалентным преобразованием схем.
11. Расчёт электрических цепей методом контурных токов.
12. Расчёт электрических цепей методом узловых потенциалов.
13. Расчёт электрических цепей методом наложения.
14. Расчёт электрических цепей методом двух узлов.
15. Построение потенциальной диаграммы.
16. Источник ЭДС. Определение, обозначение на схемах, вольт-амперные характеристики идеального и реального источников.
17. Источник тока. Определение, обозначение на схемах, вольт-амперные характеристики идеального и реального источников.
18. Электрическая мощность и работа. Баланс мощностей.
19. Условие передачи максимальной мощности от источника приёмнику.
20. Коэффициент полезного действия электрической цепи. Режимы работы
цепей.
Лабораторные работы № 4, 5. Цепи однофазного синусоидального тока
1. Простейший источник синусоидальной ЭДС. Принцип работы.
2. Величины, характеризующие синусоидальную функцию. Мгновенное,
действующее, амплитудное значения функции.
76
3. Способы представления синусоидальных функций. Описание.
4. Резистивный элемент цепи синусоидального тока. Закон Ома в комплексной форме. Графики синусоид тока и напряжения. Векторная диаграмма.
5. Индуктивный элемент цепи синусоидального тока. Закон Ома в комплексной форме. Графики синусоид тока и напряжения. Векторная диаграмма.
6. Ёмкостный элемент цепи синусоидального тока. Закон Ома в комплексной
форме. Графики синусоид тока и напряжения. Векторная диаграмма.
7. Комплексный метод расчёта цепей синусоидального тока.
8. Последовательное соединение резистивного, индуктивного и ёмкостного
элементов. Индуктивный и ёмкостный характеры нагрузки.
9. Параллельное соединение резистивного, индуктивного и ёмкостного элементов. Индуктивный и ёмкостный характеры нагрузки.
10. Активная, реактивная, полная мощности цепи синусоидального тока.
11. Мощности резистивного, индуктивного и ёмкостного элементов. Графики
мгновенных значений мощностей.
12. Коэффициент мощности. Практическая значимость и способы повышения
коэффициента мощности.
13. Последовательный колебательный (резонансный) контур. Дать определение, нарисовать схему и описать протекающие в схеме процессы.
14. Явление резонанса. Определение и сущность. Виды резонансов.
15. Определение резонанса напряжения. Условия возникновения. Почему резонанс в последовательном контуре называют резонансом напряжений?
16. Процессы в цепи при резонансе напряжения и их следствия (какие величины, как изменяются, почему изменяются, следствия этих изменений).
17. Опасности наступления резонанса напряжения (в каких цепях и при каких
условиях – сравнительный анализ) и меры борьбы с ними.
18. 3 способа добиться резонанса напряжения. Обоснование. Формулы. Чем
объясняется усиление напряжения при резонансе напряжений? Возможности
применения резонанса напряжения.
19. 3 режима работы схемы во время выполнения лабораторной работы.
Наименование, условия наступления и характеристика каждого режима. Треугольник сопротивлений для каждого режима работы.
20. Пояснить вид резонансных кривых при резонансе напряжений.
21. Нарисовать схему замещения реальной реактивной катушки индуктивности. Записать значение полного комплексного сопротивления цепи согласно схеме
замещения (схема для выполнения эксперимента). Обосновать свой ответ.
22. Определение резонанса токов. Условия возникновения. Какими параметрами характеризуется резонанс токов?
77
23. В каких цепях возникает резонанс токов? Нарисовать схему. Описать процессы в схеме. Почему резонанс токов?
24. Процессы в цепи при резонансе токов и их следствия (какие величины, как
изменяются, почему изменяются, следствия этих изменений).
25. Каким образом проявляет себя резонанс токов? Является ли резонанс токов
опасным явлением? Где и как применяют резонанс токов? Обосновать свой ответ.
Лабораторная работа № 6. Цепи трёхфазного синусоидального тока
1. Трёхфазная электрическая цепь. Определения, формулы. Способы изображения трёхфазной симметричной системы ЭДС.
2. Получение трёхфазного синусоидального тока. Преимущества трёхфазных
электрических цепей. Линейные и фазные токи и напряжения.
3. Способы соединения источников и приёмников трёхфазного переменного
тока «звездой» и «треугольником». Назвать варианты, нарисовать схемы, написать
формулы, указать особенности.
4. Симметричная нагрузка и несимметричная нагрузка в трёхфазных электрических цепях. Определения, виды, следствия.
5. Напряжение смещения нейтрали и ток в нейтральном проводе. Определение, условия существования, методы вычисления.
6. Мощность трёхфазной цепи переменного тока при симметричной и
несимметричной нагрузке.
7. Методы измерения мощности трёхфазной цепи переменного тока с несимметричной нагрузкой (описания, формулы, схемы).
8. Коэффициент мощности. Цели и способы его повышения.
Лабораторная работа № 7, 8. Полупроводниковые элементы
1. Общая характеристика полупроводниковых резисторов. Свойства, назначение, применяемые конструкционные материалы.
2. Терморезисторы с положительным температурным коэффициентом.
Вольт-амперная характеристика (ВАХ), температурный коэффициент сопротивления, коэффициент нелинейности ВАХ.
3. Терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом. Вольтамперная характеристика (ВАХ), температурный коэффициент сопротивления,
коэффицент нелинейности ВАХ.
4. Варисторы. Область применения, вольт-амперная характеристика (ВАХ),
температурный коэффициент сопротивления, коэффициент нелинейности ВАХ.
5. Собственная и несобственная проводимость полупроводника. Получение
полупроводников p-типа и n-типа.
78
6. Электронно-дырочный переход. Вентильное свойство p-n-перехода. Ёмкость p-n-перехода.
7. Полупроводниковый диод. Определение, классификация и принцип действия полупроводникового диода. Краткая характеристика по каждому виду.
8. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода. Основные параметры полупроводниковых диодов.
9. Пробой p-n перехода. Тепловой и электрические пробои p-n перехода.
10. Применение полупроводниковых диодов. Выпрямление электрических колебаний. Основные характеристики выпрямителей.
11. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя. Принцип работы,
временные диаграммы и основные характеристики. Достоинства и недостатки.
12. Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя в выведенной средней точкой трансформатора. Принцип работы, временные диаграммы и основные
характеристики. Достоинства и недостатки.
13. Схема однофазного двухполупериодного мостового выпрямителя. Принцип работы, временные диаграммы и основные характеристики. Достоинства и
недостатки.
14. Схема трёхфазного мостового выпрямителя. Принцип работы, временные
диаграммы и основные характеристики. Достоинства и недостатки.
15. Устройство и вольт-амперная характеристика полупроводникового стабилитрона.
16. Принцип действия и основные характеристики полупроводникового стабилитрона.
17. Включение стабилитронов относительно нагрузки. Включение двух и более одинаковых стабилитронов. Перспективы и цели.
Лабораторная работа № 9. Биполярные транзисторы
1. Устройство и классификация биполярных транзисторов.
2. Структура и принцип действия биполярного транзистора на примере одной
из схем включения.
3. Основные параметры биполярного транзистора.
4. Схемы включения биполярного транзистора. Краткие характеристики.
5. Схема включения биполярного транзистора с ОБ. Характеристика схемы.
6. Схема включения биполярного транзистора с ОЭ. Характеристика схемы.
7. Схема включения биполярного транзистора с ОК. Характеристика схемы.
8. Статические характеристики биполярного транзистора.
9. Статические характеристики для схемы с ОБ.
10. Статические характеристики для схемы с ОЭ.
79
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
Лабораторная работа № 10. Трансформаторы
Классификация трансформаторов.
Конструкция трансформаторов.
Принцип работы трансформатора.
Основные характеристики трансформатора.
Схемы замещения трансформатора.
Применение трансформаторов.
Опыт и потери холостого хода в трансформаторе.
Опыт и потери короткого замыкания в трансформаторе.
Маркировка трансформаторов.
80