И.М. БОНДАРЬ
ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
И ЭЛЕКТРОНИКА
Среднее профессиональное образование
И. М. Бондарь
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
И ЭЛЕКТРОНИКА
Учебное пособие
для средних специальных
учебных заведений
(техникумов и колледжей)
Издательский центр «МарТ»
Москва — Ростов-на-Дону
2005
ББК 31.2
Б 82
Бондарь И. М.
Б 82 Электротехника и электроника: Учебное пособие. Москва: ИКЦ
«МарТ»; Ростов н/Д: Издательский центр «МарТ», 2005. — 336 с.
(Серия «Среднее профессиональное образование»)
Изложенный учебный материал соответствует требованиям дей-
ствующих государственных образовательных стандартов для сред-
них профессиональных учебных заведений.
В учебном пособии изложены основы теории цепей постоянного
и переменного тока, трансформаторов и электрических машин, элек-
тропривода, электроснабжения, электроники. По наиболее сложным
темам курса приведены примеры решений типовых задач.
Учебное пособие предназначено для студентов техникумов и кол-
леджей всех форм обучения, может быть рекомендовано учащимся
лицеев.
ISBN 5-241-00462-9
ББК 31.2
© Бондарь И.М., 2005
© Оформление: ИКЦ «МарТ», 2005
© Оформление: Издательский центр
«МарТ», 2005
ПРЕДИСЛОВИЕ
Предлагаемое пособие предназначено для студентов, изуча-
ющих курсы «Электротехника», «Электротехника и электрони-
ка», «Электротехника, электроника, электрооборудование авто-
мобилей», «Электротехника и основы электроники» и др. Изу-
чаемые курсы отличаются объемом и содержанием, поэтому в
пособие включены 11 разделов по основным темам курсов для
строительных, горно-металлургических, машиностроительных,
технологических и других специальностей.
Цель данного пособия — оказать помощь студентам в их са-
мостоятельной работе при изучении курса, выполнении домаш-
них заданий и контрольных работ.
Пособие содержит основные сведения из теории цепей посто-
янного и переменного тока в объеме, достаточном для понима-
ния физических процессов и выполнения расчетов. Описание
устройства и характеристик трансформаторов, машин постоян-
ного тока, асинхронных машин, составляющих основное элект-
ротехническое оборудование предприятий, позволяет правиль-
но оценить происходящие в них электромагнитные явления и
рационально решить многие задачи электрификации различных
объектов. Приведенные основные положения теории электро-
привода помогут правильно подобрать двигатель для различ-
ных режимов работы, а описание схемы автоматического управ-
ления двигателями — выбрать из них наиболее рациональную в
соответствии с требованиями технологического процесса энер-
гетического машинного устройства. Широко распространенные
электронные устройства: выпрямители, усилители и другие, рас-
смотрены в объеме, позволяющем студенту понять принципы
их действия. Поскольку в современной радиоэлектронной ап-
паратуре электровакуумные приборы находят весьма ограничен-
ное применение, большее внимание уделено полупроводнико-
вой электронике и микроэлектронике.
3
1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ
ПОСТОЯННОГО ТОКА
1.1. Области применения электрической энергии
постоянного тока
1.	Питание электродвигателей постоянного тока (трамвай-
ных, троллейбусных, метро, различных подъемников, старте-
ров, стеклоочистителей, вентиляторов автомобилей, швейных
машин и т.д.).
2.	Технологические процессы, возможные только на посто-
янном токе (например, электролиз).
3.	Зарядка аккумуляторных батарей.
4.	Питание электромагнитов, ламп освещения и реле.
1.2. Основные понятия и определения
Совокупность соединенных друг с другом источников элект-
рической энергии и приемников, по которым может протекать
электрический ток, называется электрической цепью.
Изображение электрической цепи на рисунке с помощью ус-
ловных обозначений называется электрической схемой.
Элементы подразделяются на пассивные (рис. 1.1, a-в) и ак-
тивные (рис. 1.1, г-ж).
Следует заметить, что внутреннее сопротивление идеально-
го источника э.д.с. равно нулю (г0 = 0), а внутреннее сопротив-
ление идеального источника тока равно бесконечности(г0 = °°).
При необходимости можно преобразовать источник э.д.с. в ис-
точник тока, т.е. перейти от схемы д) к схеме ж) рис 1.1. Возмо-
жен и обратный переход. Эквивалентные преобразования осу-
ществляются по следующим формулам:
/=7 И Е = 1г0,
'о
где I — ток источника тока; Е — э.д.с. источника э.д.с.
4
5
На практике чаще всего преобразуется источник тока в ис-
точник э.д.с. для упрощения расчетов схемы.
Зависимость тока от напряжения называется вольтамперной
характеристикой. ВАХ изображают графически: по оси орди-
нат откладывается ток, по оси абсцисс — напряжение.
Рис. 1.2: ВАХ: 1 — идеального
источника э.д.с., 2 —реального
источника э. д. с.
Рис. 1.3. ВАХ: 1 — идеального
источника тока; 2 — реального
источника тока
Проанализировав ВАХ рис. 1.2 и рис. 1.3, можно сделать вы-
воды, что напряжение на зажимах идеального источника э.д.с.
не зависит от тока, протекающего по источнику, а ток идеаль-
ного источника тока не зависит от напряжения на его зажимах.
Линейными электрическими цепями называются цепи, состо-
ящие из линейных элементов, т.е. элементов, имеющих ВАХ в
виде прямой линии. Цепь, содержащая хотя бы один, нелиней-
ный элемент, называется нелинейной. Нелинейные элементы
имеют ВАХ в виде кривой линии.
Электрические цепи подразделяются на неразветвленные и
разветвленные. В неразветвленной цепи по всем ее элементам
протекает один и тот же ток (рис. 1.4). В разветвленной цепи
(рис. 1.5) ток разветвляется на два тока: /, и /3, данная схема
имеет два узла и три ветви.
6
Узлом называется точка соединения трех и более ветвей.
Ветвью называется участок цепи, заключенный между двумя
узлами, по которому протекает один и тот же ток. Различают
активную ветвь и пассивную ветвь. Активная ветвь содержит
источник или источники электрической энергии, пассивная ветвь
не содержит источников э.д.с. и тока.
1.3. Закон Ома для участка цепи,
не содержащего э.д.с.
Закон Ома устанавливает связь между током и напряжением
на некотором участке цепи. Так, применительно к участку цепи
рис. 1.6, запишем:
7
J _Uab
R R '
-L- R
a » 	|	|--------< b	Рис. 1.6. Участок цепи,
---------------ue содержащий э. д. с.
ab
1.4.	Закон Ома для участка цепи,
содержащего э.д.с.
Закон Ома для участка цепи, содержащего э.д.с., позволяет
найти ток по известной разности потенциалов (<ря - (рс) на кон-
цах участка цепи (рис. 1.7):
^(Pg-fPe+E _^пе+Е
R	R
с
а
Рис. 1.7. Участок цепи,
содержащий э.д.с.
Если э.д.с. Е имеет противоположное направление, то
R
1.5.	Первый закон Кирхгофа
Алгебраическая сумма токов в узле равняется нулю (рис. 1.8):
5>=о,
или Z, = /2 + 73 4- Z4.
8
Рис. 1.8. Узел электрической цепи
1.6.	Второй закон Кирхгофа
Алгебраическая сумма падений напряжений в любом замк-
нутом контуре равняется алгебраической сумме э.д.с. вдоль того
же контура:
Х'«=Х£.
или алгебраическая сумма напряжений вдоль любого замкну-
того контура равна нулю:
2Х-
Любой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям,
называется контуром. Так, для схемы 1.9 имеем:
9
1.7.	Составление уравнений для расчета токов
в схемах при помощи законов Кирхгофа
Законы Кирхгофа используются для нахождения токов в вет-
вях схемы. Так как в каждой ветви схемы протекает свой ток, то
число неизвестных токов равняется числу ветвей схем. Перед тем
как составлять уравнения, необходимо:
1. Произвольно выбрать положительные направления токов
в ветвях и обозначить их на схеме.
2. Выбрать положительные направления обхода контуров для
составления уравнений по второму закону Кирхгофа.
Для единообразия рекомендуется положительные направле-
ния обхода контуров выбрать одинаковыми для всех контуров,
например, по часовой стрелке.
Обозначим число ветвей схем буквой b и число узлов у. Для
того чтобы получить линейно-независимые уравнения, по пер-
вому закону Кирхгофа составляется число уравнений, равное
числу узлов без единицы, т.е. у - 1. По второму закону Кирхго-
фа составляется число уравнений, равное числу ветвей за выче-
том числа уравнений, составленных по первому закону Кирхго-
фа, т.е. b - (у - 1).
При составлении уравнений по второму закону Кирхгофа не-
обходимо следить за тем, чтобы были охвачены все ветви схемы.
Рассмотрим применение законов Кирхгофа для схемы рис. 1.9.
Произвольно выбираем положительные направления токов и
обозначаем их на схеме. В схеме два узла, следовательно, по пер-
вому закону Кирхгофа достаточно составить только одно урав-
нение
/| + 72 — /3.
По второму закону Кирхгофа необходимо составить b - (у -
1) = 3 - (2 - 1) - 2 уравнения. Положительные направления обхо-
да контуров выбираем по часовой стрелке.
Для контура RlElR2E2:
/17?1-Д7?2=Е1 + Е2.
10
Знак «плюс» перед ItR} взят потому, что направление тока 1Л
совпадает с направлением обхода контура. Знак «минус» перед
/,/?, — потому, что направление /, встречно обходу контура.
Для контура E2R2R3R4:
I2R2+I^R3+Ri)=-E2.
Поскольку положительные направления токов выбираются
произвольно, то в результате расчета один или несколько токов
могут оказаться отрицательными, т.е. в реальной схеме эти токи
протекают в обратном направлении.
1.8. Энергетический баланс
в электрических цепях
На основании закона сохранения энергии количество тепла,
выделяющегося в единицу времени в резисторах схемы, должно
равняться энергии, доставляемой за это же время источником
питания:
Z Рп<тр. = X Рист. > или £ Рпотр =^Е1.
1=1
Мощность потребителей вычисляется по следующим формулам:
, U2
Pnomp=i2R- — = ui,
К
где R — сопротивление потребителя;
/ — ток, проходящий по потребителю;
U — напряжение на потребителе.
Например, для схемы рис. 1.10 уравнение баланса мощнос-
тей имеет вид:
?2 (R\ + Ri + R3 ) ~ (Р\ + Р>2
Если схема питается не только от источников э.д.с., но и от
источников тока, то Ври составлении энергетического баланса
необходимо учитывать энергию, доставленную источниками
тока.
11
Рис. 1.10: Цепь постоянного тока
с двумя источниками*питания
и тремя потребителями
1.9. Методы преобразования электрических схем
Методы преобразования применяются для упрощения расче-
тов электрических схем. Если два резистора соединены после-
довательно (рис. 1.11), то их можно представить одним эквива-
лентным (рис. 1.12): R3 = Rx + /?2.
Рис. 1.11. Последовательное
соединение резисторов
«Ь
Рис. 1.12. Эквивалентная схема
При этом ток / в данной ветви не изменяется. Аналогичным
образом производится расчет при соединении трех и более ре-
зисторов.
12
Если два резистора соединены параллельно (рис. 1.13), то их
также можно представить одним эквивалентным (рис. 1.14):
1
R,
1 1
=----1--, или «, =
r2
R> R>
Ri + R2
Рис. 1.13. Параллельное	Рис. 1.14. Эквивалентная схема
соединение двух резисторов
Для трех соединенных параллельно резисторов имеем:
1111	„ RM
— = —+ — + — , или R =-------------.
R R, R2 R.	R.R2 + R.R, + R2R,
В общем случае для п параллельно соединенных резисторов:
R, ЯК
1.10.	Эквивалентные преобразования звезды
и треугольника резисторов
При расчете электрических цепей часто возникает необходи-
мость в переходе от трехлучевой звезды резисторов (рис. 1.15) к
треугольнику резисторов (рис. 1.16) и обратно.
13
1
Рис. 1.15. Звезда резисторов
Это преобразование должно быть эквивалентным, т.е. сопро-
тивления между точками цепи 1 и 2, 2 и 3, 3 и 1 должны быть
соответственно одинаковыми в обоих видах соединений:
R + R — ^12^23 + *31) ' R + R — ^23(^12 + ^31)
^12 + ^23 + *31	*12 + *23 + *31
р . р _ *31(*12 +*2з)
Ап Т	.
*12 + *23 + *31
Решая эти уравнения, находим:
7?.27?3|	2?.2?2
R. =--------12_31----• R - R +R + -Х-2-;
*,2+*2з+*з1	*з
R23RI2 - r> r> R-jR-,
R =--------22-12-----; R =R +R + -2-2.;
Z?12 + 7?23 + 2?31	23	2	3	2?!
2?3|2?33	R-tRf
D =---------31_23---- p = R + p +
Rl2+R23 + Rit 31	3 R2
14
1.11.	Замена нескольких параллельных ветвей,
содержащих источники э.д.с., одной эквивалентной
Участок цепи на рис. 1.17 эквивалентен участку цепи рис. 1.18,
если при любых значениях тока /, проходящего по непоказан-
ной на рисунках части схемы, напряжение на зажимах а и в в
обоих схемах будет одинаковым.
Рис. 1.17. Участок цепи постоянного тока Рис. 1.18. Эквивалентная
с тремя источниками э. д. с.	схема
Эквивалентная проводимость равна сумме проводимостей
всех ветвей:
п
8, =£|+.?2+£з
к=\
а эквивалентное сопротивление
15
Эквивалентная э.д.с.:
п
g —	^3 _
?l+52 + ?3	Vo
/ 7 6к
к=]
1.12.	Замена нескольких параллельных ветвей,
содержащих источники тока, одной эквивалентной
Если несколько источников тока соединены параллельно (рис.
1.19), то они могут быть представлены одним эквивалентным
(рис. 1.20):
п
I +ц=У
э 1	2	3	к
к=\
Эквивалентная проводимость цепи
16
1.13.	Режимы работы электрической цепи
(линии электропередачи)
Основными режимами работы электрической цепи (рис. 1.21)
являются следующие.
1.	Режим номинальной нагрузки (номинальный режим).
2.	Режим холостого хода.
3.	Согласованный режим.
4.	Режим короткого замыкания.
Остальные режимы являются промежуточными. Для всех ре-
жимов работы справедливы следующие уравнения:
Напряжение на входе линии
u=u1+ulul^
где — падение напряжения в линии;
U — напряжение на нагрузке.
нагр.	Г	Г J
Ток в линии
Ra + RHazp.
где Т?7 — сопротивление проводов линии;
R — сопротивление нагрузки.
Мощность, потребляемая всей цепью
Р = Р+Р ,
л нагр. ’
где Рч — мощность, выделяемая в проводах линии;
Р — мощность, потребляемая нагрузкой.
Коэфициент полезного действия
Г] = ^100%.
Р
Рассмотрим основные режимы работы электрической цепи.
1.	Номинальный ражим характеризуется номинальным напря-
жением UH, номинальным током /(, номинальной мощностью Рн,
которые указываются на табличке приемника.
17
Рис. 1.21. Линия электропередачи постоянного тока
Номинальное напряжение сети U для большинства прием-
ников постоянного тока составляет 27,110,220,440 В, а также 6,
12, 24, 36 В.
Номинальный ток 1п — предельно допустимый ток, при ко-
тором приемник может работать длительное время.
Номинальная мощность Р — величина, определяемая номи-
нальным напряжением UH и номинальным током 1н:
Р =U 1 .
я я я
В некоторых случаях на приемниках указывается номиналь-
ный коэффициент полезного действия — Т)п, например, на элек-
тродвигателях.
2.	Режим холостого хода наблюдается в цепи при R = в
этом случае 1 = 0, Т) = 100%.
3.	Согласованный режим работы применяется в радиотехни-
ческих цепях, устройствах автоматики и телемеханики, в других
слаботочных цепях, где необходимо передать от источника к
приемнику наибольшую мощность. Это условие выполняется
при равенстве сопротивлений линии и нагрузки: R3 = R, сле-
довательно, 1]Д = UHa;p и Рч = Рнагр Коэффициент полезного дей-
ствия г] = 50%.
В сильноточных цепях режим согласованной нагрузки не при-
меняется ввиду низкого значения к.п.д.
18
4.	Режим короткого замыкания возникает при коротком за-
мыкании нагрузки {RHaip - 0). Ток в линии ограничивается со-
противлением проводов и намного превышает номинальный:
Напряжение сети U = U7, следовательно, Р = Р и г/ = 0.
При возникновении короткого замыкания линия должна от-
ключаться от сети автоматическими выключателями (автома-
тами) или плавкими предохранителями.
На рис. 1.22 приведены графики изменения мощности в зави-
симости от тока в линии.
Рис. 1.22. Графики изменения мощности и к.п.д. в зависимости
от тока в линии
Линии передачи выполняются в основном медными и,алю-
миниевыми проводами. Сопротивление провода зависит от его
19
длины I, площади поперечного сечения 5 и удельного сопротив-
ления р:
R„P =
Ом-мм2
где I, м; S, мм , р,----•
м
Сопротивление металлического провода зависит также от
температуры: с повышением температуры сопротивление про-
вода линии увеличивается:
=/?„Д1+а(г-20°)],
где t — температура провода, °C;
а — температурный коэффициент (см. приложение 2).
R — сопротивление провода при 20 °C.
1.14. Выбор проводов по нагреву
Расчет сводится к определению номинального тока потреби-
теля, который определяется экспериментально или по паспорту
потребителя, далее по таблицам подбирается сечение провода,
для которого допустимый ток равен или больше рабочего:
1 >1 .
ооп. ~ н
Таблицы длительно допустимых токов на провода и кабели
приведены в электротехнических справочниках.
1.15.	Выбор проводов по потере напряжения
Сечение проводов необходимо выбрать таким образом, что-
бы потеря напряжения в линии не превышала допустимого зна-
чения (обычно не более 0,05 LQ:
*7, = Я7 Z„,
где Ял=2р-----сопротивление двух проводов линии.
5	I
Сечение провода S = 2р1 —.
20
Из двух получившихся при расчетах сечений провода по на-
греву и по потере напряжения выбираем наибольшее.
Обычно напряжение на входе линии U поддерживается выше
номинального напряжения приемника UH на 5%, в этом случае
напряжение на приемнике будет номинальным.
1.16.	Методы расчета электрических цепей
1.16.1.	Метод контурных токов
В методе контурных токов принимается, что в каждом неза-
висимом контуре схемы протекает свой контурный ток. В схеме
рис. 1.23 два контура. Выбираем положительное направление
обхода контуров — по часовой стрелке.
Рис. 1.23. Схема двухконтурной электрической цепи
с тремя источниками э.д.с.
Для каждого контура составим уравнение по второму закону
Кирхгофа. Для первого контура
А1 (^1 "* ^2 "* ^5 ) — ^22-^5 = £) + £5 •
Для второго контура
“А 1^5 + ^22 (^3 + ^4 + ^5 ) = ~^4 ~ ^5-
Собственное сопротивление первого контура
7?l I = /?] + Т?2 + ^5 •
21
Собственное сопротивление второго контура
Т?22 =	•
Общее сопротивление (для первого и второго контуров)
Т?|2 = Т?21 =
Контурная э.д.с..первого контура Elt = Et + Е5равна алгебра-
ической сумме э.д.с. этого контура. В нее со знаком «плюс» вхо-
дят те э.д.с., направления которых совпадают с направлением
обхода контура.
Аналогично записываем уравнение для второго контура
Перепишем систему уравнений следующим образом:
Ai^n "* Аг^12 =
А 1^21 + ^22^22 = ^22
В результате решения системы уравнений известными мето-
дами находим /п и /22
Действительные токи в ветвях схемы:
A,- Ar А-А1 ~ Аг’ А — Аг-
1.16.2.	Метод наложения (суперпозиции)
Метод наложения основан на принципе наложения. Принцип
наложения формулируется следующим образом: ток в /с-той вет-
ви равен алгебраической сумме токов, вызываемых каждой из
э.д.с. схемы в отдельности. Этот принцип справедлив для всех
линейных электрических цепей.
Так, например, в схеме рис. 1.24 два источника э.д.с. и три
резистора.
Вначале определяем частичные токи в ветвях схемы от пер-
вой э.д.с. (рис. 1.25):
5	.
^2 + ^3
22

/?2 *
Z?2 + *3
r2=^-; I' = ^-
R.
Puc. 1.24. Схема двухконтурной электрической цепи
с двумя источниками э.д.с.
Рис. 1.25. Схема для определения частичных токов от первой э.д.с.
Затем определяем частичные токи в ветвях схемы от второй
э.д.с. (рис. 1.26):
23
я +AJL
7?,+7?3
U" = г
U ab 1 2
/?1 + /?2
Действительные токи определяются алгебраическим сумми-
рование частичных токов: Ix - I' - //'; /2=/2" - //; /3 =
Рис. 1.26. Схема для
определения частичных
токов от второй э.д.с.
1.16.3.	Метод двух узлов
Наиболее рациональный метод расчета токов в цепях, содер-
жащих два узла, — метод двух узлов. Рассмотрим порядок рас-
чета на примере схемы рис. 1.27.
Рис. 1.27. Схема трехконтурной электрической цепи с двумя
источниками э.д.с.
24
Находим напряжение между точками а и b
TJ _ ^EkSk
и nb "V
Ток в любой ветви определяется по формуле
h=(Ek-U<lb')gk=^^.
Кк
Допустим, Е{ = 120 В, £3 = 50 В, R} = 2 Ом, R2 = 4 Ом, R3 = 1 Ом,
R4 = 10 Ом.
Находим напряжение между узлами а и b
U =	= 120-0,5-50-1 = 5 45
аЬ g>+g2 + g3 + g4 0,5 + 0,25 + 1 + 0,1	’
Токи в ветвях схемы:
	/] = й^ = ™-У = 5„Л 1	Д	2 = -1,354; Т?2	4 1 5^ = 0-5Л = R4 10
По расчету токи /2, /3, /4 получились со знаком «минус», т.е.
на схеме рис. 1.27 они должны быть направлены в противопо-
ложную сторону.
Проверка:
по первому закону Кирхгофа для узла а составляем уравнение:
Л = /2+/3+^
57,3 = 1,35 + 55,4 + 0,54;
57,3 = 57,29.
25
по уравнению баланса мощности:
Z,2/?! + Л2/?, + I33R3 + /;/?4 = Е,/, + Е3/3;
57,З2- 2 + 1,352 • 4 + 55,42- 1 + 0,542 • 10 = 120 • 57,3 + 50 • 55,4;
9647 = 9647.
1.16.4. Метод узловых потенциалов
Метод расчета электрических цепей, в котором за неизвест-
ные принимаются потенциалы узлов, называется методом узло-
вых потенциалов. Допустим, в схеме у узлов. Так как любая одна
точка схемы может быть заземлена без изменения токораспре-
деления в схеме, то один из узлов можно заземлить, т.е. принять
потенциал его равным нулю. При этом число неизвестных умень-
шается с у до (у - 1).
Число неизвестных в методе узловых потенциалов равно чис-
лу уравнений, которые нужно составить для схемы по первому
закону Кирхгофа. В тех случаях, когда (У- 1) меньше числа не-
зависимых контуров в схеме, данный метод является более эко-
номным, чем метод контурных токов.
Обратимся к схеме рис. 1.28.
Рис. 1.28. Схема четырехконтурной электрической цепи с четырьмя
источниками э.д.с.
26
Принимаем потенциал одного из узлов схемы, например, тре-
тьего, равным нулю, обозначим положительные направления
токов и записываем уравнения по первому закону Кирхгофа для
первого и второго узлов:
Токи в ветвях схемы:
/6=(<Р1-Ш,’/5=(<Р1-<Р2+£5^5’
/2=(-<p2+E2)g2;/3 = (<p2+E3)g3;
А = (-<?, + EJg^, /4 = (-<p,)g4.
Подставим значения токов в уравнения, составленные по пер-
вому закону Кирхгофа:
Ф156- Ф2£б+ Ф.<?5- Ф2<?5+ E5g5 + Ф^! - Etg} + <p,g4 = 0;
<Pig3 + E3g3 + <p2g2 - E2g2 - ф^б + 92g6 - ф,£5 + ф21?5 - ЕЛ= 0.
Производим группировку членов:
ф,иб + g5 + gl + g4) ~ Ф2иб + g5) =	- E5g5
~ ф/&6 g$) Ф2(&3 + gl+ g&+ g5> ~ E2gl~ Eygi + Esgs'
ф/£б + gs + gi + gj - Ф2С?6+ gs) = Etgl - E5g5
~ Ф^б + g5) + Ф2С?з + g2 + g6 + g5) = E2g2 - E3g3 + E5g5,
где g6 + g5 + g, + g4 = gH — собственная проводимость первого
узла;
g3 + g2 + g6 + g5 = g22 — собственная проводимость второго
узла;
g6 + g5 = g)2 = g2l — общая узловая проводимость.
Окончательно получаем:
Ф1511-ф25|2=Е^;
1
—^1^21	~	^8‘
2
В результате решения системы уравнений известными мето-
дами определяем и ср2.
Подставляя значения (Pj и ф2 в уравнения для токов, находим
действительные токи в ветвях схемы.
27
1.16.5. Метод эквивалентного генератора
(метод холостого хода и короткого замыкания)
На практике часто бывает необходимо изучить режим рабо-
ты только одной из ветвей сложной электрической схемы, при
этом не следует производить расчет всей схемы, а целесообраз-
но воспользоваться методом эквивалентного генератора. Соглас-
но этому методу в схеме выделяется исследуемая ветвь и расчет
производится в следующем порядке:
1)	произвольно выбираем направление тока в исследуемой
ветви;
2)	определяем напряжение холостого хода Ua на зажимах ра-
зомкнутой исследуемой ветви;
3)	находим входное (эквивалентное) сопротивление схемы со
стороны зажимов разомкнутой ветви 7?з, если известен ток ко-
роткого замыкания I , то R3 -
U
4)	находим ток в исследуемой ветви:
U +Е
J — XX
R3 + R ’
где R — сопротивление ветви, в которой определяется ток;
Е — э.д.с. в исследуемой ветви, если ветвь не содержит э.д.с.,
то Е = 0.
Знаки «плюс» или «минус» в последнем выражении выбира-
ются в соответствии с законом Ома для участка цепи, содержа-
щего э.д.с.
Рассмотрим применение метода эквивалентного генератора
на примере схемы рис. 1.29, допустим Е2=Е3=Е4 = 20 В, Е5= 50 В,
R] = R2 = R3 = R4 = 2 Ом; R5 = 3 Ом, требуется определить ток в
ветви Ьс.
Указываем направление тока в ветви Ьс и определяем напря-
жение холостого хода Ubcja на зажимах ветви Ьс. Схема в этом
случае имеет вид, показанный на рис. 1.30.
Для нахождения Ubaa вначале находим ток и напряжение
Uac по методу двух узлов:
28
z, = Е* =2®_=5А
R' + Ri 2 + 2
г Г 50--20—
иас = 585 , 484 = —3- 1 2 =8В,
—I-
3 2
g5+<?4
Рис. 1.29. Схема трехконтурной электрической цепи с четырьмя
источниками э. д. с.
Рис. 1.30. Схема для определения напряжения холостого хода Ubcxx
по методу эквивалентного генератора
29
Ubcxx определяется по второму закону Кирхгофа, обходя кон-
тур ЬасЬ:
Ubixx = R^ + Uai = 2  5 + 8 = 18 В.
Определяем эквивалентное сопротивление относительно за-
жимов Ьс, схема в этом случае имеет вид, показанный на рис.
1.31:
„ R.R,	R.R,	2-2	2-3 _
R=-\--2 +-^—5-'=--------+----= 2,20м.
/?] + Т?2 Кд 4" Л5 2 + 2 2 + 3
Рис. 1.31. Схема для определения эквивалентного сопротивления
относительно зажимов Ьс по методу эквивалентного генератора
Находим ток в исследуемой ветви Ьс
]	_ Ubcxx ^з _
ы' k,+r3
18-20
2,2 + 2
= -0,476 А,
т.е. ток 1Ьс в схеме имеет направление, противоположное вы-
бранному.
1.17.	Нелинейные элементы в цепях постоянного
тока
Нелинейные элементы (НЭ) подразделяются на управляемые
и неуправляемые. В управляемых НЭ, в отличие от неуправляе-
30
мых, кроме основной цепи, есть еще управляющая цепь, воздей-
ствуя на ток или напряжение которой, можно деформировать
ВАХ основной цепи. Для неуправляемых НЭ ВАХ изображает-
ся одной кривой, а для управляемых — семейством кривых. В
группу неуправляемых НЭ входят: лампы накаливания, выпря-
мительные диоды, стабилизаторы и т. д. В группу управляемых
НЭ входят три и более электродные лампы, транзисторы и т. д.
На рис. 1.32 показаны ВАХ некоторых НЭ. Чем больше про-
текающий через нить лампы накаливания ток, тем нить сильнее
нагревается и тем больше становится ее сопротивление. Неко-
торые типы термосопротивлений имеют симметричную ВАХ.
Полупроводниковые диоды пропускают ток практически толь-
ко в одном, проводящем направлении.
Рис. 1.32. Типовые ВАХ: а —лампы накаливания;
б — термо сопротивления; в — полупроводникового диода
Каждый НЭ характеризуется ВАХ, статическим и дифферен-
циальным сопротивлениями.
Статическое сопротивление R равно отношению напряже-
ния к току в данной точке, например, в точке А рис. 1.32, а:
31
Дифференциальное (динамическое) сопротивление Ro равно
отношению бесконечно малого приращения напряжения dU к
соответствующему приращению тока di:
R = —
* di ’
Дифференциальное сопротивление характеризует НЭ при
достаточно малых отклонениях от предшествующего состояния,
используется при исследовании вопроса об устойчивости режи-
мов работы нелинейных цепей.
1.18.	Методы расчета цепей постоянного тока
с нелинейными элементами
Существует два метода расчета: аналитический и графоана-
литический. Первый метод ввиду его сложности в данном курсе
не рассматривается. Второй метод заключается в построении
общей ВАХ всей цепи по ВАХ отдельных элементов, которые
снимаются экспериментально, могут быть заданы в графичес-
кой или табличной форме, взяты из паспорта НЭ.
Расчет цепи с последовательными соединением НЭ. На рис.
1.33 два нелинейных элемента соединены последовательно. Как
известно, ток I при последовательном соединении элементов на
всех участках цепь одинаков, а напряжение U=UX + Uv согласно
второму закону Кирхгофа.
Рис. 1.33.
Последовательное
соединение двух
нелинейных элементов
32
На рис. 1.34. приведены ВАХ первого и второго НЭ, а также
ВАХ всей цепи, которая построена следующим образом. Про-
водим пунктиром прямые параллельно оси напряжения. Чем
больше прямых, тем точнее получается расчет. Складывая на-
пряжения точек пересечения, получаем напряжение точки кри-
вой / Соединив все точки, получаем ВАХ всей цепи.
Рис. 1.34. Построение общей ВАХ всей цепи при последовательном
соединении НЭ
Расчет цепи с параллельным соединением НЭ. По первому
закону Кирхгофа для цепи рис. 1.35 можно записать / =
Напряжение на элементах цепи равно входному Uo. Построение
общей характеристики I = flU) производится путем складыва-
ния ординат кривых II =flUi) и /2 = f(U2) на рис. 1.36.
Рис. 1.36. Построение общей ВАХ всей цепи при параллельном
соединении НЭ
Расчет цепи со смешанным соединение НЭ. На схеме рис. 1.37
R2 и /?3 соединены параллельно, но последовательно с 7?,, поэто-
му расчет проводим в два этапа. Вначале строим общую ВАХ
I23=f(T/23) для второго и третьего элемента, затем ВАХ всей цепи
7 как показано на рис. 1.38.
Рис. 1.37. Смешанное соединение трех нелинейных элементов
34
Рис. 1.38. Построение общей ВАХ всей цепи при смешанном
соединении НЭ
На рис. 1.34, 1.36 и 1.38 показаны построения для одной точ-
ки ВАХ 7 =/(/7).
35
2.	ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ОДНОФАЗНОГО
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
2.1.	Области применения электрической энергии
однофазного переменного тока
1.	Питание электродвигателей бытовых приборов — холо-
дильников, стиральных машин, пылесосов, ручного электроин-
струмента.
2.	Питание бытовой радиоэлектронной аппаратуры — теле-
визоров, музыкальных центров, видеомагнитофонов и т.д.
3.	Электрифицированный железнодорожный транспорт.
4.	Освещение (лампы накаливания, люминесцентные лампы,
галогеновые лампы).
Для бытовых электроприемников в России принято напря-
жение 220 В частотой 50 Гц. В большинстве стран Европы в ка-
честве стандартной частоты принята/= 50 Гц, а Англии — 40 Гц,
в США и Японии — 60 Гц. Частота и напряжение питания при-
емников выбираются исходя из технико-экономических условий.
Некоторые электротехнические устройства работают при
более высокой частоте. В авиации, например, применяется си-
нусоидальный ток с частотой 400 Гц, так как при этой частоте
снижаются вес и габариты авиационного электрооборудования:
Для нужд железнодорожного транспорта применяют пони-
женную частоту 25 Гц (50/2) и
.г 2 г f50"l
ID —Гц -- .
3	3
2.2. Получение однофазной синусоидальной э.д.с.
Поместим рамку, состоящую из одного витка, в однородное
поле постоянных магнитов (рис. 2.1). Рамка вращается с посто-
янной угловой скоростью <y=const. В соответствии с законом
электромагнитной индукции в ней будет наводиться э.д.с.:
36
</ф с/(Ф coscor)	.
е =--------------------- = соФ„, sin cor = Ет sin cor,
dt	dt	m
где Фт — амплитудное (максимальное) значение магнитного
потока;
а = сог — угол между направлением поля и нормалью к плос-
кости рамки;
Ет = соФи— амплитудное (максимальное) значение э.д.с.
Рис. 2.1. Рамка в однородном поле
Синусоидальную функцию времени можно выразить:
1)	графиком (рис. 2.2);
2)	уравнением е = Esincor;
3)	вращающимся вектором, называемым радиус-вектором
(рис. 2.3).
Период Т(рис. 2.2) — интервал времени, в течение которого
функция проходит полный цикл своего изменения.
37
a=cot
Рис. 2.2. График изменения
синусоидальной э. д. с.
во времени
Частота f = ~ — величина, обратная периоду, численно рав-
на числу периодов в одну секунду. Единица измерения - герц
(Гц=^).
Мгновенные значения — значения изменяющихся во време-
ни э.д.с., тока, напряжения, мощности в любой момент време-
ни. На протяжении одного периода можно взять бесчисленное
множество мгновенных значений. Мгновенные значения обозна-
чаются строчными буквами: е, i, и, р.
Амплитудное значение — наибольшее мгновенное значение
синусоидальной э.д.с. тока, напряжения, мощности, обознача-
ется прописной буквой с индексом т (max): Ет, lm, Um, Рт.
Рассмотрим получение синусоиды путем вращения вектора
(рис. 2.3). Допустим, что вектор ОА соответствует максималь-
ному значению Ет синусоидальной функции е = Emsincot и враща-
ется против часовой стрелки с угловой скоростью со, а угол а = сот
непрерывно изменяется. Проекция вектора ОА на вертикальную
ось равна: е = OA-sina = OAsincoc = Е sincot
Аргумент синуса, т.е. величина mt (может быть cot + Т) назы-
вается фазой, где Т — начальная фаза.
Величина со = 2л/ - получила название угловой частоты.
Для промышленной частоты/= 50 Гц, со = 2-3,14-50 = 314—.
38
Если две синусоидально изменяющиеся величины проходят в
одно и то же время через нулевые и максимальные значения, то
эти две величины совпадают по фазе (рис. 2.4).
39
Если е = Emsm(d)t + Т,), a i = /msin(wr + Т2), то эти две величи-
ны не будут совпадать по фазе (рис. 2.5). Угол Т, - Т2 = ср назы-
вается углом сдвига по фазе.
2.3.	Действующее значение синусоидального тока
Действующее значение синусоидального тока определяется
по формуле
При i = /msinco? получаем
cos2&w ,
------dt =
2
так как
| cos 2cotdt - 0.
о
Аналогично действующие значения э.д.с. и напряжений рав-
ны соответственно
F
Е = —^ = 0,101 Ет,
V2
U = ^ = 0,707(7
л/2
2.4.	Среднее значение синусоидального тока
Под средним значением синусоидально изменяющейся вели-
чины понимают среднее значение ее за полпериода:
1 ’г	I Т/е	2
1сР= — J L sin O)tdt = 77 J sin cotdt = -Im = 0,6377m.
/2 0	/2 0
40
Аналогично средние значения э.д.с. и напряжений равны со-
ответственно
^=|^,=0,637Е„„
2
U = —(/ = 0,63767 .
ср _ т ’	т
ТС
2.5.	Цепь переменного тока с активным сопротивлением
Резистор R включен на синусоидальное напряжение U=Umsin<j)t
(рис. 2.6), под действием напряжения по цепи протекает ток i.
Величина сопротивления R переменному то^у больше, чем по-
стоянному. При f= 50 Гц — = 1,01 -1,05.
U=U sincot
m
Рис. 2.6. Цепь переменного тока
с активной нагрузкой
С увеличением частоты это отношение также увеличивается
за счет поверхностного эффекта (скин-эффекта), эффекта вытес-
нения тока на поверхность проводника. Э.д.с. самоиндукции в
проводниках переменного тока направлена навстречу току
r di
е = -L—,
dt
где L — индуктивность проводника;
di
— — изменение тока во времени, поэтому плотность тока по
сечению проводника неодинакова.
На переменном токе сопротивление резистора R называют
активным, а на постоянном — омическим.
По закону Ома мгновенное значение тока в цепи (см. рис. 2.6):
U	Uт sin cot
41
т.е. напряжение и ток совпадают по фазе, а угол сдвига фаз ра-
вен нулю: ср = 0.
На рис. 2.7 представлены графики изменения напряжения и
тока в данной цепи и ее векторная диаграмма.
U,i
Рис. 2.7. Графики изменения
напряжения и тока в цепи с
активным сопротивлением (а);
(б) векторная диаграмма цепи
360°
90° 180'
270°
Диаграмма, изображающая совокупность векторов, постро-
енных с соблюдением их взаимной ориентации по фазе, называ-
ется векторной диаграммой.
2.6.	Цепь переменного тока с идеальной катушкой
индуктивности
Катушка индуктивности L включена в цепь синусоидально-
го тока i = /msincor (рис. 2.8). Катушка, у которой активное со-
противление R = 0, называется идеальной. Согласно второму за-
кону Кирхгофа напряжение на входе цепи
U = -е = L— =	= со LI coscot = coLIm sin(w/ + 90°) =
dt dt	m	m
- Um sin(wz + 90°),
42
т.е. напряжение опережает ток на 90°, или ток отстает от напря-
жения на 90°, следовательно индуктивность создает сдвиг по фазе.
i = I sincot
m
Рис. 2.8. Цепь переменного
тока с индуктивной нагрузкой
Произведение cdL = InfL = XL — индуктивное сопротивление,
которое зависит от частоты питающего напряжения f и индук-
тивности L.
На рис. 2.9 представлены графики изменения напряжения и
тока в катушке индуктивности, векторная диаграмма цепи.
Рис. 2.9. Графики изменения напряжения и тока в цепи с идеальной
катушкой индуктивности (а); векторная диаграмма цепи (б)
2.7.	Цепь переменного тока с идеальным
конденсатором
Конденсатор С включен в цепь с напряжением U = Umsma>t
(рис. 2.10). Конденсатор, у которого активное сопротивление
/?=0, называется идеальным.
43
I
U = U sincot
m
Рис. 2.10. Цепь переменного
тока с емкостной нагрузкой
Если напряжение на конденсаторе изменяется по синусоидаль-
ному закону, то по синусоидальному закону изменяется и заряд
конденсатора:
q = С • U = CUnsin(Ot.
Ток, протекающий через конденсатор:
. dq dCU sin (i>t „,Т	, __oX
i = — =-----------=	cos (M = (йСи,„ sin (tot + 90) =
dt dt	m	m \	1
= lm sin (tot+ 90°),
т.е. ток через конденсатор опережает по фазе напряжение на угол
90°.
о	v 1	1
Величину X =------=------ называют емкостным сопротив-
с (ОС 2nfC
лением, которое обратно пропорционально частоте питающего
напряжения и емкости конденсатора.
На рис. 2.11 представлены графики изменения напряжения и
тока в конденсаторе, векторная диаграмма цепи.
Рис. 2.11. Графики изменения напряжения и тока в цепи с идеальным
конденсатором (а); векторная диаграмма цепи (б)
44
2.8.	Цепь переменного тока с катушкой
индуктивности
Под действием напряжения U по катушке протекает ток
i=Imsincot (рис. 2.12). Приложенное напряжение U является сум-
мой двух составляющих — активной UR и реактивной (индук-
тивной):.
U = Ue + U = U sinCOt+U sin(a)t+90°).
к L т	tn 4	'
Рис. 2.12. Цепь переменного
тока с активно-индуктивной
нагрузкой
Активная составляющая UR=iR совпадает по фазе с током, а
индуктивная UL=i-XL опережает по фазе ток на четверть периода.
Векторную диаграмму для этой цепи обычно начинают стро-
ить с вектора тока I, так как при последовательном соедине-
нии элементов ток на всех участках цепи одинаков (рис. 2.13, а).
Далее откладываем вектор Ur, который совпадает по фазе с век-
тором тока Л Под углом 90° к вектору I _отк£адь1ваем вектор
напряжения Ul. Результирующий вектор U =Ur+Ul- Из треу-
гольника напряжений действующее значение приложенного на-
пряжения:
Треугольнику напряжений подобен треугольник сопротивле-
ний (рис. 2.13, б), где z = -y//?2 + Х\ — полное сопротивление
цепи. Из треугольника сопротивлений получаем следующие рас-
четные формулы:
X, . X,	R
tgty = —-; sin ф = —-; cos ф = —.
R	z	z
45
Рис. 2.13. Векторная диаграмма цепи с последовательным соединением
R, L (а); треугольник сопротивлений (б)
Ток в цепи определяется по закону Ома:
и _и
у]к2 + х[ Z
2.9.	Цепь переменного тока с конденсатором
Если по цепи (рис. 2.14) протекает ток i = Im sinwr, то подво-
димое напряжение U равно сумме напряжений на активном со-
противлении и конденсаторе:
и = и„ + и= U sincof + U sin(co; - 90°).
R С т	т v	7
и
Рис. 2.14. Цепь переменного
тока с активно-емкостной
нагрузкой
46
Активная составляющая напряжения совпадает по фазе с то-
ком, а емкостная составляющая отстает на четверть периода.
Действующее значение подводимого к цепи напряжения
(7 = y/u2+U2 = y](IR)2 + (IXcy = I^R2 + Х2С = Iz-
Векторная диаграмма строится аналогично предыдущему
случаю (рис 2.15). За исходный вектор принимаем вектор тока
1. Вектор U R совпадает по фазе с вектором 1. Под углом 90°
откладываем вектор Uc- Вектор приложенного напряжения к
цепи U =Ur +Uc.
Рис. 2.15. Векторная диаграмма цепи с последовательным соединением
R, С (а); треугольник сопротивлений (б)
2.10.	Комплексный метод расчета цепей
переменного тока
Тригонометрическая форма расчета электрических цепей
практически применима только для простейших цепей, не со-
держащих большого числа контуров и источников, поэтому
широкое применение получил алгебраический метод, позволя-
ющий рассчитывать цепи переменного тока аналогично цепям
постоянного тока — комплексный метод (метод комплексных
амплитуд, или символический метод).
Комплексное число, соответствующее точке, в которой ле-
жит конец вектора (рис. 2.16), может быть записано в следую-
щих формах: алгебраической А = ах + ja2,, тригонометрической
А = «(cos а + j sin а), показательной А = «е'“, полярной (угло-
вой) А = alxf., где:
47
a, = acosoc = Re[A] — действительная (вещественная) часть
комплексного числа А; а2 = а • sin а = Im[A] —мнимая часть ком-
плексного числа А;
j = V-1 - е1^2 — мнимая единица, или оператор поворота на
угол л/2 = 90° (умножение на j сводится к повороту вектора про-
тив часовой стрелки на угол л/2, а умножение на - j - e~f/2 к по-
вороту вектора на прямой угол по часовой стрелке);
а =	+ а2 = —— = —!-----модуль комплексного числа А
since cos а
(всегда положителен);
а2
a-arctg— — угол или аргумент комплексного числа.
а,
+jn
Рис. 2.16. Изображение
вектора на комплексной
плоскости
Показательная форма записи комплексного числа получает-
ся из формулы Эйлера;
cosa± j since = e±ja
Комплексное число A = al- ja2 = ae~ja называется комплекс-
но-сопряженным числу А = аЛ + ja2 - aeja. Произведение компек-
сно-сопряженных чисел — число действительное, равное квад-
рату их модуля:
А. А = ае'а  ae~ja = а2.
48
Умножение комплексного числа ае1а на число е7Ч> сводится к
повороту вектора А в комплексной плоскости на угол а + (р:
ае'а-е'ф=«е'(а+ф).
Сложение и вычитание комплексных чисел производится в
алгебраической форме:
А + В = (а, + ja2) + (/>, + Д) = («! ±^)+ j(a2+b2).
Умножение и деление комплексных чисел может производится
в алгебраической и показательной формах:
А • В - («! + ja2 ) •(/>! + jb2) = (afy - a2b2) + j (а2Ь} + atb2) =
= ае‘а  be® - аЬе^а+^,
А _ А В _ (й| +;а2)•(/>, ~ jb2) _ ахЬ} + a2b2 . a2b, -axb2 _
b'bb~(VA)(VA)~ +J ь;+ьгг
__	__ Cl Да~Р)
be® b
Возведение в степень производится следующим образом:
(ae'“) = aneja" = a"(cosa« + jsinan).
Рассмотрим проекции вращающегося против часовой стрел-
ки с постоянной угловой скоростью со вектора /1П (рис. 2.17).
Проекция на действительную ось — / cosa. Проекция на мни-
мую ось — j/msina.
Тогда согласно формуле Эйлера
1е= I cos а + jl sin а.
т	т	J т
Угол а может быть любым. Если а = cor + \g, где ф — началь-
ная фаза, то
Ime '(“,+V) = Л, cos (cor + у) + jlm sin (ow + \|/),
где /mcos(ciw + v) — действительная часть комплексного числа;
j/ sin(cor + v) — мнимая часть комплексного числа.
49
Рис. 2.17. Проекции вращающегося вектора I
на комплексную плоскость
Для единообразия принято на комплексной плоскости изоб-
ражать векторы синусоидально изменяющихся во времени ве-
личин для момента времени cor = 0. Для этого момента времени
вектор Ime^w+^ будет.равен 1теп = 1т, где /га —комплексная
амплитуда тока, модуль ее равен 1т, а угол а на комплексной
плоскости равен начальной фазе у. Аналогично можно запи-
сать для э.д.с. и напряжения:
Е = Е -е”,
т т ’
и =и -е*.
т т
Например, если ток, протекающий по цепи, равен i = 12sin(cor+
+ 30°)А, то в данном случае Im= 12А, у = 30°, следовательно, ком-
плексная амплитуда тока im =12eJ30°, а комплекс тока (комплек-
сный ток)
= 8,51?30°А.
2.11.	Закон Ома в комплексной форме записи
Комплексное сопротивление Z включено в цепь переменного
тока с напряжением U. Точка над буквой Z не ставится, точку
50
принято ставить над комплексными величинами, которые пред-
ставляют синусоидальные функции времени.
I
JL. Рис. 2.18. Цепь переменного тока
j	Z с комплексным сопротивлением Z
_____________________т
Ток в цепи определяется по закону Ома:
у _ U U
~ Z~ R + jX~ ze'*.'
где R — активное сопротивление цепи;
X — реактивное сопротивление цепи, которое может быть
индуктивным или емкостным;
z — модуль комплексного сопротивления;
<р — угол сдвига по фазе.
2.12.	Комплексная проводимость
Под комплексной проводимостью У понимают величину,
обратную комплексному сопротивлению Z:
У = 1 = __1	=____ = 7?-Д =
Z R + jX (R + jX)(R-jX) R2 + X2
R . X _
~ r2 + x2 j r2 + x2~ 8 J ’
R
где g = —---- — активная проводимость цепи;
R + X
X
b =------- — реактивная проводимость цепи.
R2 + X2
51
Если X положительно, то и b положительно, при отрицатель-
ном X b также отрицательно.
Аналогично треугольнику сопротивлений строим треуголь-
ник проводимостей (рис. 2.19). Треугольник проводимостей —
графическая интерпретация связи между модулем полной про-
водимости у и ее активной и реактивной составляющими:
y = ^g2+b2.
При использовании комплексной проводимости закон Ома
записывается следующим образом:
i=U'Y.
Рис. 2.19. Треугольник проводимостей
2.13.	Активная, реактивная и полная мощность
цепи переменного тока
Под активной мощностью Р понимают среднее значение
мгновенной мощности р за период Т:
1 т	7	J т
Р = — | pdt = — Juidt = — JUmIm • sin sin (<w/ + <p)dz =
0	0	0
= -7™”1 COS ^9 = UI cos<p,
где и = t/msin((M + ф) и i - / „sincof.
Активная мощность — это энергия, которая определяется в
единицу времени (предполагается, что в 1 секунду укладывается
целое число периодов Т) в резисторе R:
Р = PR [Вт].
52
Реактивная мощность Q = 1//5Шф[вар].
Если sincp > 0, то и Q > 0, если sincp < 0, то Q < 0.
Полная мощность определяется из треугольника мощностей
(рис. 2.20), который подобен треугольнику сопротивлений
5 = Jp2+Q2 или S-UI[B- А].
Из треугольника мощностей получаем
2.14. Комплексная форма записи мощностей
Допустим, что к электрической цепи (см. рис. 2.18) подведено
напряжение U = Ue*', по цепи протекает ток I = le™2 (рис. 2.21).
Комплексная мощность
S =U I =ие™' Ie~™2 = Ulejv = Sejv=S-cosф + jSsin<p = P + jQ,
где I — сопряженный комплекс тока;
5 — модуль комплексной мощности.
Рис. 2.21. Комплексные
напряжения и ток
+
53
2.15.	Законы Кирхгофа в комплексной форме
записи
Для цепей переменного тока справедливы законы Кирхгофа,
сформулированные ранее для цепей постоянного тока, см. 1.5,
п. 1.6.
Согласно первому закону сумма комплексных токов в узле
равна нулю:	„
*=1
Второй закон принимается к любому замкнутому контуру
цепи
k=l i=l
п
где X — алгебраическая сумма комплексных э.д.с. источни-
ков напряжения;
и
— падения напряжений на комплексных сопротивле-
ниях Zk отдельных участков.
2.16.	Цепь переменного тока с последовательным
соединением элементов
Согласно второму закону Кирхгофа для цепи рис. 2.22 мож-
но записать
и = м„ + u, + ur = RI sin (Of + (oZJm sin ((of + 90°) +
+ -^-sin((Of-90°) = i7m sinwf + t/ sin ((Of+ 90°) +
X	/ mR	mL X	/
+Umc sin ((Of-90°).
Для действующих значений
и = ^U2k+(Ul~Uc)2 = ^ir)2+(ixl-ixc)2 = I^ + {XL-XC')2,
где XL - Xc = X — реактивное сопротивление цепи.
54
Рис. 2.22. Цепь переменного тока с последовательным
соединением R, L, С
Ток в цепи определяется по закону Ома
, U
Jr2 + x‘ Z
или в комплексной форме записи
/Л.
Z
где U — напряжение, приложенное к цепи;
Z — комплексное сопротивление цепи.
В данной цепи возможны следующие три варианта.
1.	Индуктивное сопротивление больше емкостного XL > Хс,
следовательно, UL > Uc
Векторная диаграмма для этого случая представлена на рис.
2.23, а. Вектор Uс для наглядности изображен рядом с вектором
_	_ _______________ у
U l,k действительности U с компенсирует U l . Угол ф = arctg —
— R
в данном случае положительный, вектор напряжения U опере-
жает вектор тока 1 на угол ф.
2.	Индуктивное сопротивление меньше емкостного XL < Хс,
следовательно, UL < Uc (рис. 2.23, б), угол ф отрицательный,
вектор тока / опережает вектор напряжения U на угол ф, по
отношению к сети нагрузка является активно-емкостной.
55
Рис. 2.23. Векторные диаграммы для цепи с последовательным
соединением R, L, С: а — X L> Хс; б — X L< %с: в — ^ь= % с
3.	Индуктивное сопротивление равно емкостному XL - Хс —
условие резонанса напряжений (рис. 2.23, в).
Реактивное сопротивление цепи X = XL - Хс - 0, полное сопро-
тивление равно активному Z-R. Ток в цепи определяется вели-
чиной активного сопротивления I = — и намного превышает
номинальное значение тока для данной цепи. Напряжения на
реактивных элементах равны UL = XLI = Uc = XJ и превышают в
X X
—- = —- раз напряжение сети U = U . Угол сдвига фаз (р = О,
R R
следовательно, cos<p = 1.
Активная мощность цепи равна полной Р = t/icosq) = UI = S,&
реактивная Q = L//sin(p - 0.
Резонансная частота последовательного колебательного кон-
тура fpa3 -	зависит от величины индуктивности L и
емкости С.
Явление резонанса напряжений широко используют в различ-
ных электрорадиотехнических устройствах.
56
2.17. Цепь переменного тока с параллельным
соединением элементов
Основной схемой соединения приемников переменного тока
является параллельная схема. На рис. 2.24 показано соединение
двух приемников — катушки индуктивности и конденсатора.
Каждый приемник характеризуется активным и реактивным
сопротивлениями. Напряжение на приемниках одинаковое и
равно сетевому U.
'г
Рис. 2.24. Цепь переменного
тока с параллельным
соединением R, L, С:
а — Х>1ХС; б — Х<ХС;
в — х=хс
Анализ электрического состояния цепей с параллельным со-
единением приемников производится следующими методами.
1.	Комплексный метод.
Токи в ветвях схемы определяются по закону Ома в комплек-
сной форме записи:
W, z,
i= - ° '
&2 " j%2	^2
где = 2nfL — реактивное (индуктивное) сопротивление пер-
вой ветви;
57
58
7^ — комплексное сопротивление 1 -й ветви;
Х2 = —------реактивное (емкостное) сопротивление 2-й ветви;
2л fC
Z2 — комплексное сопротивление второй ветви.
Ток в неразветвленной части цепи определяется по первому
закону Кирхгофа в комплексной форме записи
/ = /, + /,.
Построение векторных диаграмм (рис. 2.25) начинаем с по-
строения вектора напряжения U , который откладываем по дей-
ствительной оси. Далее откладываем токи , /2, I под расчет-
ными углами фр ф2, ф. Проекции токов /, и /2 на мнимую ось
дают значения реактивных составляющих и I . В последнем
случае (рис. 2.25, в), когда 1^=1^ наступает резонанс токов.
2.	Метод проекций.
На векторной диаграмме цепи (рис. 2.26) представлены ак-
тивные и реактивные составляющие токов /р /2 и I.
Рис. 2.26. Векторная диаграмма токов для цепи с параллельным
соединением приемников
Такое разделение на активные составляющие условно, так как
реально невозможно разделить в катушке индуктивности актив-
ное сопротивление R и индуктивное XL, а в конденсаторе — ак-
тивное сопротивление R и емкостное Хс.
Порядок расчета по методу проекций следующий.
59
Определяем токи в ветвях схемы
/ U -U  1 U -U
+ X2 V 2	+ X; <
Из треугольников сопротивлений
R	X	R	X
cos(pt =—; sin(p1 =—L; cos(p2 = —; sin(p2 -—-.
Z,	Zj	z2	z2
Определяем активное и реактивные составляющие токов вет-
вей:
/я1 = Z, coscp!; Zpl = Л -sincp, ;
/a2=/2-COS(p2;/P2=/2-Sin(p2-
Ток в неразветвленной части цепи:
z=Л/(/«'	_/^)2 =7z«+/p’
г
а угол Ф ~ arctg
1 а
3.	Метод проводимостей.
Основан на соотношениях из треугольника проводимостей
(см. 2.12). Определяем активные и реактивные проводимости
ветвей схемы рис. 2.24:
_	7?!	7?[	2?2
82 = $Тх*=ё-’
h -	• А . ~Хг -
1 R? + X? z2 ' 2 Т?2+Х2 z2 ‘
Полная проводимость цепи
У =	+ (bi+bi)2 = 7s2+z?2’
где g = gt + g2 — активная проводимость цепи;
b = + b2 — реактивная проводимость цепи.
60
Ток в неразветвленной части цепи I = U  у.
Угол сдвига фаз между напряжением U и током /
(p-arctg—.
S
При равенстве реактивных проводимостей ветвей bt = b2 на-
ступает резонанс токов, реактивная проводимость цепи в этом
случае b = Ь}- Ь2=0. Реактивная составляющая тока в неразвет-
вленной части цепи I = U • b = 0, ток в неразветвленной части
цепи I = ln = U • g совпадает по фазе с напряжением U. Следует
заметить, что токи в параллельных ветвях равны и противопо-
ложны по фазе I\= bJJ = I2 = b2U, намного превышают ток I.
Резонансная частота параллельного колебательного контура
В радиотехнике, где используется явление резонанса токов,
величины /?, и R2 обычно незначительны по сравнению с L и С,
поэтому на высоких частотах
т.е. резонансная частота параллельного колебательного конту-
ра совпадает с резонансной частотой последовательного коле-
бательного контура.
При постоянной частоте f резонанс в цепи может получить
изменение индуктивности L или емкости С.
Резонанс токов находит также применение в промышленных
энергетических установках для повышения cos(p.
2.18. Повышение коэффициента мощности coscp
Приемники переменного тока потребляют как активную мощ-
ность (лампы накаливания, электронагревательные приборы —
61
утюги, чайники, плиты и т.д.), так и активно-индуктивую (элек-
тродвигатели, трансформаторы и т.д.). Полезную работу совер-
шает только активная мощность, а остальная тратится на на-
грев проводов, потери в приемниках и т.д. Так, например, если
активная мощность Р передается при coscp = 1, то ток в линии
U cos<p U
где U — напряжение в линии.
Если активная мощность передается при cos(p = 0,5, то
Р	Р	Р
1 =-------=------= 2 — ,
U-cos(p U-0,5	U
т.е. ток увеличился в два раза по сравнению с первым случаем.
Увеличение тока в два раза требует увеличения сечения прово-
дов, что приводит к соответствующему увеличению капиталь-
ных затрат, поэтому на промышленных предприятиях поддер-
живают coscp = 0,90-0,92. Для этого параллельно нагрузке вклю-
чают синхронные компенсаторы (синхронные двигатели облег-
ченной механической конструкции, предназначенные для повы-
шения cos(p) или батареи конденсаторов. Емкость батареи кон-
денсаторов определяется по формуле
с^Р(18ф,-ГСТд)
2nfU2
где <р, — значение угла, при котором работает энергетическая
установка;
Ф2 — значение угла, при котором должна работать энергети-
ческая установка.
2.19. Падение и потеря напряжения в линии
передачи переменного тока
Генератор соединен с приемником энергии линией передачи.
Линия передачи обладает активным R7 и индуктивным Хл со-
противлениями, нагрузка имеет активно-индуктивный характер
62
(вектор U опережает вектор
торную диаграмму цепи.
I на угол фгагр ). Построим век-
Рис. 2.27. Линия передачи энергии переменного тока
и ее векторная диаграмма
Под падением напряжения в линии передачи понимают мо-
дуль геометрической разности векторов напряжения в начале
|{71 и конце UHmp\ линии, оно равно ил = lyjR2, + Хл.
Потеря напряжения равна разности модулей напряжения в
начале и конце линии, т.е. равна	Потеря напряжения
в линии передачи показывает, на сколько вольт напряжение в
конце линии меньше напряжения в начале линии.
63
3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ТРЕХФАЗНОГО
ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
Трехфазная система применяется в России и во всех странах с
конца XIX века. По сравнению с однофазной системой имеет
следующие преимущества:
1.	Обеспечивает экономию проводов при передаче электро-
энергии на расстоянии.
2.	Трехфазные электрические машины-двигатели и генерато-
ры имеют более высокий к.п.д., чем однофазные.
3.1.	Получение трехфазной системы э.д.с.
Трехфазную систему получают при помощи трехфазных син-
хронных генераторов, которые состоят их двух основных час-
тей: ротора и статора. Ротор представляет собой вращающийся
электромагнит, который приводится во вращение паровой или
водяной турбиной. Статор — неподвижная часть генератора,
имеет три обмотки, расположенных под углом 120°, которые
называются фазами генератора (более подробно см. раздел «Син-
хронные машины»). Начала обмоток (рис. 3.1) обозначаются
буквами А, В, С, а концы — X, Y, Z.
Для момента времени t = 0 мгновенные значения э.д.с. об-
моток:
еА = Emsm(Ot,
е=Е sin(<x>Z — 120°),
<?г = Emsin(wr - 240°).
Если представить каждую э.д.с. вектором, то получим систе-
му трех векторов, расположенных друг относительно друга под
углами 120° (рис. 3.2).
Если сложить эти три вектора Е + Ё + Ё = 0, то можно сде-
лать вывод, что сумма мгновенных значений э.д.с. тоже будет
равна нулю:
еА + ев+ес=()-
64
На рис. 3.1 концы фаз генератора х, у, z объединены в одну
точку, которая называется нулевой, или нейтральной, точкой.
Такое соединение называется соединение звездой. Если соеди-
нить зажимы фаз генератора, как показано на рис. 3.3, т.е. нача-
3.	Электротехника и электроника
65
ло одной фазы с концом другой, то получится соединение треу-
гольником. При отклонении формы э.д.с. от синусоидальной, а
также при разной величине э.д.с. фаз по обмоткам генератора
могут протекать уравнительные токи, которые нагревают об-
мотки и снижают к.п.д. генератора. Поэтому обмотки генера-
торов всегда соединяют в звезду.
3.2.	Четырехпроводная трехфазная цепь
Четырехпроводная трехфазная цепь широко применяется для
электроснабжения промышленных предприятий, фабрик, заво-
дов, жилых домов.
Провода, соединяющие фазы генератора и приемника, назы-
ваются линейными (провода А-А, В-В, С-С). Точка О — нулевая
(нейтральная) точка генератора, соответственно точка, О’ — ну-
левая (нейтральная) точка приемника, потребителя. Провод, со-
единяющий точки О-O’, называется'нулевым, или нейтральным.
Напряжение между началом и концом фазы называется фаз-
ным напряжением (UA, UB, Uc) Ток, протекающий по фазе, назы-
вается фазным током (/д, 1В, 1С). Напряжение между двумя любы-
ми линейными проводами называется линейным напряжением
WAB, UBC, иСА).
Ток, протекающий по линейному проводу, называют линей-
ным (1А, 1В, 1С). Как видно из схемы рис. 3.4, если потребители
66
Рис. 3.4. Схема четырехпроводной трехфазиой цепи
соединены в звезду с нулевым проводом, то фазный ток равен
линейному току (/ф = 1Л), а напряжения отличаются в у/з раз
(ил =у/з-иф). В данной схеме могут быть два напряжения, от-
личающиеся в у/з раз, поэтому ГОСТ установил следующие
номинальные напряжения приемников переменного тока —
127, 220, 380, 660 В, соответственно применяется три системы
220/127; 380/220 и 660/380.
Линейные напряжения равны разности фазных напряжений:
Uab=Ua-Ub,
йвс=йв-йс,
Uca+Uc-Ua.
3.2.1.	Симметричный режим работы
четырехпроводной трехфазной цепи
Если три фазы потребителя имеют одинаковые сопротивле-
ния ZA = Zs = Zc, то в этом случае наступает симметричный ре-
жим работы цепи, который является основным рабочим режи-
мом. В качестве примера симметричной нагрузки можно назвать
трехфазные трансформаторы, трехфазные асинхронные двига-
тели.
Токи в фазах равны и определяются по закону Ома:
, =£а. / =Чв_. j
1А 7 ’ ‘В у ' *с 7 ’
^•А	^В
Углы сдвига по фазе определяются отдельно для каждой фазы:
ХА	Хв	Хс
Ч>а = arctg—(рв = arctg —(рс = arctg
^А	&в
Ток в нейтральном проводе в данном случает будет равен
нулю: 7о = 1а +1в + 7с =0.
Напряжение между нейтралями генератора и приемника так-
же равно
у _uaya+ubyb+ucyc _ Q
°0' ya+yb+yc+y0
68
где UА, l)в,йс — фазные напряжения;
Ул, YB, Ус, Уо — проводимость трехфазных и одного нейтраль-
ного провода.
Векторная диаграмма для случая симметричной нагрузки
строится следующим образом (рис. 3.5).
симметричной нагрузки при соединении
потребителей в звезду
69
Откладываем три вектора фазных напряжений Uл, Uв, Uс
под углом 120° друг относительно друга. Векторы фазных то-
ков Ia, Iв, 1с отстают от векторов соответствующих напряже-
ний UA, UB, Uc на углы фЛ, <рв, фс (активно-индуктивная нагруз-
ка). Звезда линейных напряжений опережает звезду фазных на-
пряжений на угол 30°.
3.2.2.	Несимметричный режим работы
четырехпроводной трехфазной цепи
Если три фазы потребителя имеют разные сопротивления ZA
^ZB XZC, то токи.также будут неравны I х/ х/ Ток в нулевом
проводе определяется по векторной диаграмме (рис. 3.6) или ана-
литическим путем. Напряжение между нейтралями генератора
и приемника Uoo. ХО. Нейтральный провод служит для поддер-
жания постоянного напряжения на фазах приемника, поэтому в
нейтральном проводе запрещается установка предохранителей
и выключателей.
Рис. 3.6. Векторная диаграмма для режима несимметричной нагрузки
при соединении потребителей в звезду
70
3.2.3.	Обрыв одного линейного провода
в четырехпроводной трехфазной цепи
При обрыве одного из линейных проводов (перегоранием
предохранителя, отключением фазы от сети и т.д.), например,
провода А, две другие фазы работают в том же режиме, в кото-
ром работали UB= Uc= иф. Поскольку 1А = 0, то ток в нулевом
проводе
/о = I в + 1с-
3.3.	Трехпроводная трехфазная цепь
при соединении потребителей в звезду
Применяется для питания симметричных потребителей (ZA =
Zfi = Zc), при этом ток в нейтральном проводе равен 0: /0 = О (см.
3.7), поэтому необходимость в нейтральном проводе отпадает.
В этой цепи токи определяются также по закону Ома:
А	п 7 . D	гу ' С	r-f
^В	^С
Линейные напряжения поддерживаются на электростанции
постоянными при всех режимах работы цепи UAB = UBC= UCA.
3.3.1.	Симметричный режим работы
трехпроводной трехфазной цепи
Основной режим работы трехфазных потребителей, при ко-
тором ZA = ZB = Zc'Векторная диаграмма для этого случая пред-
ставлена на рис. 3.8. Каждой точке цепи соответствует точка на
диаграмме, поэтому такие диаграммы называют топографичес-
кими. Построение диаграммы начинают с векторов фазных на-
пряжений, которые располагаются друг относительно друга под
углом 120°. Векторы линейных напряжений представлены треу-
гольником, а не звездой, как в предыдущем случае (см. рис. 3.5).
Векторы фазных токов на диаграмме не показаны (фазные токи,
они же линейные токи в этом и последующих случаях пропор-
циональны сопротивлениям фаз потребителя). Нейтральная (ну-
71
Рис. 3.7. Схема трехпроводной трехфазной цепи при соединении потребителей в звезду
левая) точка О потребителя соответствует точке центра тяжести
треугольника АВС.
3.3.2.	Несимметричный режим работы трехпро-
водной трехфазной цепи
При неравенстве сопротивлений фаз ZA*ZB* Zc фазные токи
так же будут неравны между собой 1А*1В* 1С
Напряжения на фазах распределяются прямо пропорциональ-
но сопротивлениям фаз (чем больше сопротивление, тем боль-
ше падение напряжения на нем).
Рис. 3.9. Топографическая
векторная диаграмма для
режима несимметричной
нагрузки при соединении
потребителей в звезду
73
Точка О может занять любое положение в треугольнике АВС
(рис. 3.9), UAt- UB^ Uc, т.е. возникает «перекос фаз».
3.3.3.	Обрыв одного линейного (фазного)
провода в трехпроводной трехфазной цепи
При обрыве одного линейного провода, например, провода
А (рис. 3.10, а), цепь превращается в однофазную, с последова-
тельным соединением приемников. Если ZB=ZC, то UB=UC= 0,5UBC
(рис. 3.10, б). Точка О смещается вниз и делит вектор U вс на две
равные части. Если измерить напряжение между нейтралью при-
емника и линейным проводом А, то оно окажется равным 1,5иф.
Рис. 3.10. Схема (а) и топографическая векторная диаграмма
при обрыве линейного провода А (б)
3.3.4.	Короткое замыкание одной из фаз
в трехпроводной трехфазной цепи
При коротком замыкании одной из фаз, например, фазы А,
потенциал точки А становится равным потенциалу точки О,
напряжение фазы А равно нулю UA = 0, следовательно, ток фазы
А также равен нулю: 1А = 0 (рис. 3.11, а). Фазы Ви С подключены
на линейное напряжение U= и U= LL,.
ж	d Ad С СА
74
Рис. 3.11. Схема (а) и топографическая векторная диаграмма
при коротком замыкании фазы А (б)
3.4.	Трехпроводная трехфазная цепь
при соединении потребителей в треугольник
Если соединить начало одной фазы с концом другой, то по-
лучится соединение в треугольник (рис. 3.12, а). Как видно из
схемы, линейное напряжение равно фазному напряжению ил = С/ф,
а линейные и фазные токи отличаются в л/З раз 1Л= >/з 1ф, ли-
нейный ток равен разности двух фазных токов
IА = 1 АВ — IСА ,
1в = I ВС —I АВ,
Ic — I СА — I ВС-
На векторной диаграмме (рис. 3.12, б) изображены три век-
тора линейных напряжений иАВ > U вс > Uca , расположенных под
углом 120° относительно друг друга, и векторы фазных и линей-
ных токов. Звезда фазных токов опережает звезду линейных то-
75
Рис. 3.12. Схема соединения потребителей в треугольник (а) и векторная диаграмма цепи (б)
ков на угол 30°, но отстает от звезды фазных (линейных) напря-
жений на угол <р (активно-индуктивная нагрузка).
Расчет схемы треугольника производится на основании за-
кона Ома:
/ — лв • j — вс  i — ^СА
1 АВ 7	’ 1 ВС 7	’ *СА 7
^АВ	^ВС	^СА
Углы сдвига фаз определяем по известным формулам
флв = arcrg ; <рвс = arctg ; <рСА = arctg .
”аВ	"Ж	КСА
3.4.1.	Симметричный режим работы
трехфазной цепи
Векторная диаграмма для симметричного режима работы
представлена на рис. 3.12, б.
Сопротивления фаз равны между собой ZAB = ZBC = Z^, следо-
вательно, равны фазные токи 1АВ = 1ВС = I и линейные токи I =
= L=lr.
в С
3.4.2.	Несимметричный режим работы
трехпроводной трехфазной цепи
Сопротивления фаз потребителя не равны между собой ZAB^
Z„_#: Z_., следовательно, не равны фазные I..* и линей-
ные 1А*1В* 1С токи.
Векторная диаграмма представлена на рис. 3.13.
3.4.3.	Обрыв одного линейного провода
в трехпроводной трехфазной цепи
При обрыве одного линейного провода, например, провода
А (рис. 3.14), цепь превращается в однофазную со смещенным
соединением приемников. Режим работы приемника ZBC остает-
ся без изменения. Сопротивления Z^ и ZAB соединены последо-
вательно, следовательно, К. = 1ла. Если Zr, = Z.„, то
и = и = л
UCA U АВ 2 ’
77
Рис. 3.14. Обрыв линейного провода А
в трехпроводной трехфазной цепи
при соединении потребителей в
треугольник
78
3.4.4.	Обрыв одной фазы в трехпроводной
трехфазной цепи
При обрыве одной фазы, например, фазы АВ (рис. 3.15), ток
в ней будет равен нулю 1АВ = 0, а в двух других фазах напряжения
и токи не изменяются.
Рис. 3.15. Обрыв одной фазы ZAB в трехпроводной трехфазной цепи
при соединении потребителей в треугольник
3.5.	Мощность трехфазной цепи
Мощность трехфазной цепи складывается из мощностей от-
дельных фаз. Мощность каждой фазы определяется по анало-
гии с однофазными цепями переменного тока (см. 2.12). Так,
например, активная мощность фазы, независимо от способа со-
единения потребителя в звезду или треугольник, определяется
по следующей формуле
Рф= иФ' СО8<Рф-
Активная мощность трехфазной цепи
Р = РЛ+РВ+Pe-
is
Реактивная мощность одной фазы
0ф= ^Л’ЙПфф
и всей цепи
q = qa+qb+ qc
Полная мощность трехфазной цепи 5 = >]р2 +Q2.
Если мощности фаз равны между собой, то
р = ЗРФ= Зиф1фсо5Цф,
С = 30ф= 3<7ф/ф5ПКрф.
Учитывая соотношения для звезды
У.=^и1ф=1ф
и для треугольника
для симметричной трехфазной цепи можно записать
Р = 4зи1 cosq),
Q = JbUI sin (р,
S = J1UL
где U — линейное напряжение;
/ — линейный ток;
(р — угол сдвига между напряжением и током фазы.
80
4.	ТРАНСФОРМАТОРЫ
Трансформатор — статический электромагнитный аппарат,
предназначенный для преобразования напряжения в цепях пе-
ременного тока при неизменной частоте.
По числу фаз трансформаторы подразделяются на однофаз-
ные и трехфазные. Однофазные трансформаторы предназначе-
ны в основном для бытовых нужд — трансформаторы радио-
телеаппаратуры, бытовых машин и т.д. Трехфазные трансфор-
маторы — это силовые трансформаторы, используемые в систе-
мах энергоснабжения.
По числу обмоток трансформаторы делят на двухобмоточ-
ные и многообмоточные.
Трансформаторы могут быть понижающими (напряжение
вторичной обмотки ниже напряжения первидной, сетевой об-
мотки), повышающие (напряжение вторичной обмотки выше на-
пряжения первичной) и разделительными (напряжение вторич-
ной обмотки равно напряжению первичной обмотки).
Последние применяются в радиотехнике для электрического
разделения цепей.
Трансформаторы специального назначения могут быть од-
нофазными и трехфазными — электросварочные, автотрансфор-
маторы, измерительные трансформаторы и т.д.
4.1.	Устройство однофазного трансформатора
и принцип его действия
Трансформатор состоит из железного ферромагнитного сер-
дечника (рис. 4.1) и обмоток из медного изолированного провода.
Сердечник набирают из отдельных листов электротехничес-
кой стали, изолированных друг от друга слоем лака или окали-
ны, это делается для уменьшения потерь на гистерезис и от вих-
ревых токов.
Первичная обмотка трансформатора имеет витков и вклю-
чается обычно в сеть. Вторичная обмотка с числом витков W2
подключается к нагрузке.
81
Рис. 4. J. Схема однофазного трансформатора: 1 — сердечник;
2 — первичная обмотка; 3 — вторичная обмотка
При подаче напряжения (]х на первичную обмотку трансфор-
матора, по ней протекает ток Ц, который создает магнитный
поток в сердечнике Ф = Фп sincoz. По закону электромагнитной
индукции поток индуктирует в каждом витке обмоток э.д.с.
<1Ф ЛФтзт(М .	. . , Л-оЧ
ея =----=-----------= —соФ coscot = соФ sm(cot-90 ).
8 dt	dt	m V 7
Действующее значение э.д.с. в витке:
j-. to . In f' .	. . ,
Е=~^Фт =—г^Ф,„ = 4,44/Ф,
в	™ Iw 7 J ™
следовательно, э.д.с. первичной обмотки Ех = 4,44ДУ]Фт, а э.д.с.
вторичной обмотки Е, = 4,44Д¥2Фт.
Различают следующие режимы работы трансформатора:
1.	Режим холостого хода.
2.	Рабочий режим (работа под нагрузкой).
3.	Режим короткого замыкания.
4.2.	Режим холостого хода
На первичную обмотку трансформатора (см. рис. 4.2.) пода-
ется номинальное напряжение V хн (согласно паспорту трансфор-
матора), амперметр показывает ток холостого хода 1]0, который
82
должен быть в пределах (2,5-^10)%Zlw. Ваттметр показывает
мощность потерь в стали (в сердечнике трансформатора) ь.Рст,
которые составляют (0,3 -*• 1,4) % номинальной мощности транс-
форматора. Вольтметр во вторичной цепи показывает напря-
жение вторичной обмотки (/20 (оно должно быть несколько выше
Рис. 4.2. Схема испытания трансформатора в режиме холостого хода
Из опыта холостого хода определяется коэффициент транс-
формации трансформатора
_4,44ДОИ _W, ~Ц1Н
Е2 4,44fW^m W2 U20'
При холостом ходе, пренебрегая падением напряжения на
первичной обмотке трансформатора, Et~ Ur
Если Ut > U2, то трансформатор называют понижающим, если
Ц < U2, то трансформатор называют повышающим, при Ц = U, —
разделительным.
Векторная диаграмма холостого хода трансформатора (рис.4.3)
строится следующим образом. Откладываем по горизонтальной
оси вектор магнитного_потока Фт. Вектор тока холостого хода
Zio опережает вектор Фт на угол магнитных потерь 8, который
составляет (2-3)°, для наглядности на векторной диаграмме угол
8 изображен несколько большим. Вектор /ю имеет две проекции:
/10а — активная составляющая и / — реактивная составляю-
щая тока холостого хода. Векторы Е} и Е2 отстают от вектора
магнитного потока Фт на 90°. Направим вектор Д в противо-
положную сторону — получим вектор Д • К вектору Д при-
83
строим вектор RtIl0 —вектор падения напряжения на активном
сопротивлении первичной обмотки трансформатора. Под пря-
мым углом к вектору RiIi0 пристраиваем вектор —вектор
падения напряжения на индуктивном сопротивлении первичной
обмотки трансформатора. Результирующий вектор IwZt — век-
тор падения напряжения на сопротивлении первичной обмот-
ки. Вектор приложенного напряжения
(7]	= — Е{ + RJiq + Х/ю = — Ех + Z1Z10.
Последнее уравнение называется уравнением электрическо-
го равновесия первичной обмотки.
84
4.3.	Рабочий режим
К первичной обмотке трансформатора (см. рис. 4.4) подво-
дится номинальное напряжение (71Н, а ко вторичной обмотке под-
ключается сопротивление нагрузки Z . При номинальной на-
грузке /2 = /2Н напряжение U2 = (/2Н, а по первичной цепи протека-
'натр.
85
Рабочий режим трансформатора наглядно иллюстрируется
векторной диаграммой (рис. 4.5). Построение векторной диаг-
раммы начинаем с вектора магнитного потока Фт. Под углом 8
откладываем вектор тока холостого хода /ю._Э.д.с. первичной
Е] и вторичной обмотки отстают от вектора Фт на 90°. Ток во
вторичной цепи /г отстает от э.д.с. Е2 на угол ф2, значение ко-
торого определяется соотношением активного и реактивного со-
противлений вторичной цепи. Согласно уравнению электричес-
кого равновесия вторичной цепи напряжение
U2 = El — R2I2 ~ ^2^2 =	~ ^2^2'
Вектор R2I2 параллелен вектору 7г (совпадает с ним по фазе).
Угол ф2 соответствует активно-индуктивной нагрузке. К векто-
ру /ю пристраиваем вектор приведенного вторичного тока
— W
/2 =-12-^-, который параллелен вектору h  Складывая вектор
h и Г2, получаем вектор тока первичной обмотки 71 =1ю +Г2.
Согласно уравнению первичной обмотки трансформатора на-
пряжение
t7i =-Ё1+ЁХ +=-Ё.+ZX
Угол ф( — угол сдвига по фазе между векторами Ui и 1\.
Рис. 4.6. Внешние характеристики трансформатора:
1 — при активно-индуктивной нагрузке; 2 — при активной нагрузке;
3 — при активно-емкостной нагрузке
86
С увеличением тока вторичной обмотки Ь напряжение
U2 = E2-Z2i2, при активной и активно-индуктивной нагрузке
уменьшается вследствие увеличения падения напряжения Z272.
Причем при активно-индуктивной нагрузке напряжение й2 сни-
жается в большей степени, чем при активной нагрузке. При актив-
но-емкостной нагрузке напряжение й2 = Ё2 +Z2i2 увеличивается.
Зависимость напряжения й2 от тока нагрузки /2 называется
внешней характеристикой трансформатора (рис. 4.6). Измене-
ние напряжения незначительно, составляет (2*-3)%(/2Я.
4.4.	Режим короткого замыкания
Различают аварийное короткое замыкание и опытное корот-
кое замыкание. Аварийное короткое замыкание происходит при
замыкании вторичной обмотки работающего в номинальном
режиме (или близком к нему) трансформатора. Токи, протекаю-
щие по первичной и вторичной обмоткам, в несколько раз пре-
вышают номинальные, и автоматические выключатели отклю-
чают трансформатор от сети.
Рис. 4.7. Схема опыта короткого замыкания
Опытное короткое замыкание проводится для определения
напряжения короткого замыкания и потерь в меди (обмотках)
трансформатора. На первичную обмотку трансформатора по-
дается пониженное напряжение UK = (4,5 -*-10,5) %U}H до уста-
87
новления номинальных токов в обмотках (рис. 4.7). Ваттметр
измеряет мощность потерь в меди
Л^Л/ ~ RJl "* ^2^2 ’
где 7?! и R2 — сопротивления первичной и вторичной обмоток;
и 12 — токи, проходящие по первичной и вторичной об-
моткам.
4.5.	Коэффициент полезного действия
трансформатора
Подводимая к трансформатору мощность Рх = t/^coscp,, по-
лезная мощность, потребляемая нагрузкой Р2 = U2I2cosq>2. Отно-
шение этих мощностей называют коэффициентом полезного
действия трансформатора
77 = -S-100% =----------юо%.
Последняя формула справедлива для режима номинальной
нагрузки трансформатора. Так как потери в меди (обмотках)
трансформатора зависят от нагрузки, то для остальных режи-
мов работы пользуются следующей формулой
B5„cos<09
Т] =--------------------100%,
fiSH cos (р2+*Рст +(5 лРм
где номинальная полная мощность SH= UXH - IiH, или, пренебре-
гая потерями в трансформаторе, SH~ U2HI2H,
ft = —---коэффициент нагрузки (загрузки) трансформатора.
Цн
Коэффициент полезного действия трансформаторов дости-
гает (98-99,5)%.
Номинальные величины — SH, 1}И, 12Н, U(H, U2H, cos срн указыва-
ются на щитке трансформатора, 1ю,ьРст, UK, ьРм указаны в пас-
порте или на щитке трансформатора.
88
4.6.	Трехфазные трансформаторы
Трехфазные трансформаторы выполняются обычно трехстер-
жневыми (рис. 4.8). Начала обмоток высшего напряжения обо-
значаются буквами А, В, С, а их концы — X, Y, Z. Начала обмо-
ток низшего напряжения обозначаются строчными буквами а,
Ь, с, концы — х, у, z.
Рис 4.8. Трехфазный трехстержневой
трансформатор (а) и его принципиаль-
ная электрическая схема (б)
б
о
89
Обмотки могут соединяться звездой или треугольником. В
России приняты схемы и группы соединения A/Y- — О, A/Z\ —
11, Y7A — 11. Цифры 0 и 11 означают, что углы между вектора-
ми первичных и вторичных линейных э.д.с. равны углам между
часовой и минутной стрелками часов в указанное время. При
цифре 0 угол сдвига 0°, а при 11 — угол сдвига 30°.
Электромагнитные процессы, происходящие в трехфазных
трансформаторах, аналогичны процессам в однофазных транс-
форматорах. Трехфазные трансформаторы также испытывают-
ся в режимах холостого хода и короткого замыкания.
Потери в стали определяются из опыта холостого хода
*Рст=ЗРф-
Потери в меди — из опыта короткого замыкания
=з-/Х,
М	ф ф1
где 1ф — ток фазы;
R. — сопротивление фазы.
Мощность независимо от схемы соединения обмоток опре-
деляют по формулам:
активная
Р = ЗРф = Ифиф cos(p = Jwj, cos<p;
реактивная
Q = Збф = Ифиф sin<p = х/зЦл/7 sin ф;
полная
S = 3St=3ItUt=^3U,I,.
4.7.	Параллельная работа трансформаторов
Электроснабжение промышленных предприятий обычно осу-
ществляется не одним трансформатором, а несколькими, вклю-
ченными параллельно. Параллельная работа трансформаторов
обеспечивает бесперебойное электроснабжение предприятий.
90
При выходе из строя одного трансформатора или выключении
его для проведения профилактических работ нагрузка распре-
деляется между другими трансформаторами.
Параллельное соединение трансформаторов осуществляется
по схеме рис. 4.9.
А
В
С
Рис. 4.9. Схема включения двух трехфазных трансформаторов
на параллельную работу
Первичные обмотки подключаются параллельно к шинам вы-
сокого напряжения, а вторичные обмотки подключаются парал-
лельно к шинам низкого напряжения. Для нормальной работы
трансформаторов должны удовлетворятся следующие условия:
1.	Коэффициенты трансформации трансформаторов должны
быть равны.
91
2.	Все трансформаторы должны иметь одну и ту же группу
соединения обмоток.
3.	Напряжения короткого замыкания должны быть равны.
При несоблюдении первых двух условий по трансформато-
рам протекают уравнительные токи, что приводит в перегреву
обмоток и снижению к.п.д.
При несоблюдении третьего условия трансформатор с мень-
шим UK загружается большим током, чем трансформатор с боль-
шим значением UK. Это приводит к неравномерной загрузке
трансформаторов.
4.8.	Специальные трансформаторы
4.8.1.	Автотрансформаторы
Автотрансформатором называется трансформатор с объеди-
ненными в общую электрическую цепь первичной и вторичной
обмотками. Автотрансформаторы бывают однофазные и трех-
фазные, повышающие и понижающие.
На рис. 4.10 показана схема включения автотрансформатора
в сеть. Обмотка с числом витков W, включается в сеть, обмотка
с числом витков W, включается на нагрузку, т.е. автотрансфор-
матор по существу имеет одну обмотку, часть которой включа-
ется на нагрузку.
Рис. 4.10. Схема включения автотрансформатора в сеть
92
Коэффициент трансформации автотрансформатора
%
Для нагруженного автотрансформатора, пренебрегая поте-
рями, получаем
/,{/, 1
~ ui!r или ц кА wt ’
Ток на общем участке обмоток автотрансформатора
(	1 "I
I' = 12~1^I2- 1-—
I А J
Полная мощность вторичной обмотки трансформатора (про-
ходная мощность)
s2=t/2z2=c/2zI+t/.r = sM.+^.,
где — мощность, передаваемая электрическим путем;
S (аг — мощность, передаваемая магнитным путем.
Недостаток автотрансформаторов состоит в том, что первич-
ная цепь электрически связана со вторичной цепью.
Трехфазные автотрансформаторы применяются для связи си-
стем электроснабжения, например, 110/220 кВ, 220/330 кВ и 330/
500 кВ.
Однофазные автотрансформаторы применяются в лаборато-
риях для плавного изменения напряжения от 0 до 1,2t/1H, в уст-
ройствах связи и автоматики.
4.8.2.	Измерительные трансформаторы
Измерительные трансформаторы напряжения применяются
для расширения пределов измерения вольтметров переменного
тока, для подключения вольтметровых обмоток вольтметров,
счетчиков электрической энергии и фазометров.
Трансформатор напряжения—это однофазный трансформа-
тор, работающий в режиме холостого хода. Первичная обмот-
93
ка (рис. 4.11) подключается к сети, в которой необходимо изме-
рить напряжение.
Вторичная обмотка замыкается на вольтметр, который, со-
гласно стандарту, должен быть на 100 В. Один из выводов вто-
ричной обмотки заземляется по соображениям техники безопас-
ности. При пробое междуобмоточной изоляции вторичная об-
мотка может оказаться под высоким напряжением, что опасно
для обслуживающего персонала. Поэтому один из выводов вто-
ричной обмотки заземляют, и при пробое защита отключает
трансформатор от сети.
Первичная обмотка имеет несколько тысяч витков медного
изолированного провода и маркируется А-Х, вторичная обмот-
ка состоит из нескольких сотен витков медного изолированно-
го провода небольшого сечения и маркируется а-х.
Коэффициентом трансформации трансформатора напряже-
ния (указывается в паспорте трансформатора) называется отно-
шение номинального напряжения первичной обмотки к номи-
нальному напряжению вторичной обмотки;
к
и2Н w2‘
94
Измерив вольтметром напряжение вторичной обмотки, най-
дем напряжение сети Ut = КmH-U2.
Измерительные трансформаторы тока применяются для рас-
ширения пределов измерения амперметров переменного тока,
для подключения амперметровых обмоток вольтметров, счет-
чиков электрической энергии и фазометров.
Рис. 4.12. Схема включения
трансформатора тока
Трансформатор тока — это однофазный трансформатор, ра-
ботающий в режиме, близком к режиму короткого замыкания
(вторичная обмотка замкнута на амперметр, сопротивление ко-
торого десятые или сотые доли Ома). Первичная обмотка
включается в один из линейных проводов (рис. 4.12), вторичная
— замыкается на амперметр, который, согласно стандарту, дол-
жен быть на 5 А. Один из выводов вторичной обмотки должен
быть заземлен по правилам техники безопасности эксплуатации
электроустановок.
Первичная обмотка состоит их нескольких витков медного
провода большого сечения (при значительных токах — шина),
маркируется Л, и Лг (линия 1 и линия 2). Вторичная обмотка
состоит из нескольких тысяч витков медного изолированного
провода относительно небольшого сечения и маркируется Их и
И2 (измерение 1 и измерение 2).
Ток в первичной цепи определяется по формуле
где — коэффициент трансформации трансформатора тока
(указывается в паспорте трансформатора);
/2 — показание амперметра.
95
Обрыв во вторичной цепи трансформатора тока недопустим,
так как в режиме холостого хода напряжение на вторичной об-
мотке достигает нескольких киловольт, что опасно для обслу-
живающего персонала и изоляции самого трансформатора, а
также приборов, подключенных ко вторичной обмотке.
4.8.3.	Сварочные трансформаторы
Сварочные трансформаторы применяются для электродуго-
вой сварки различных металлических конструкций, деталей и
изделий. Сварочный аппарат состоит из двух основных частей
— понижающего трансформатора и дросселя (рис. 4.13).
Рис. 4.13. Схема сварочного аппарата: 1 — понижающий
трансформатор; 2 — дроссель; 3 — электрод;
4 — свариваемые детали
Понижающий трансформатор 1 снижает напряжение сети до
65-70 В (оптимальное напряжение зажигания дуги) и разделяет
первичную и вторичную цепи. Дроссель 2 служит для регулиро-
вания сварочного тока путем изменения воздушного зазора б. Чем
больше воздушный зазор б, тем меньше индуктивность дросселя,
следовательно, больший ток протекает по вторичной цепи.
96
Внешняя характеристика имеет подающий характер (рис.
4.14). При /, = 0 напряжение на вторичной обмотке максималь-
но U20 = 65-70 В, после зажигания дуги напряжение падает до
15-30 В, в Зависимости от типа аппарата.
Рис. 4.14. Внешние характеристики
сварочного аппарата
Si<52<5:
5, I М 5:
Вторичная цепь сварочного трансформатора имеет ярко вы-
раженный индуктивный характер, поэтому напряжение на вто-
ричной обмотке при увеличении тока резко уменьшается:
U2 - Е2-Хдр12-Х212,
где Ег — э.д.с. вторичной обмотки;
Хдр12 — падение напряжения на дросселе;
Х2/2 — падение напряжения на других элементах вторичной
цепи.
4.	Электротехника и электроника
97
5.	МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Электрические машины постоянного тока могут работать в
режиме генератора и в режиме двигателя. Генераторы преобра-
зуют механическую энергию в электрическую и используются
для питания устройств постоянного тока (двигателей, электро-
магнитов, реле и т.д.). Двигатели преобразуют электрическую
энергию в механическую, применяются в трамваях, троллейбу-
сах, метро, различных подъемниках и т.д.
Большое применение находят машины мощностью от 0,3 до
100 кВт. Генераторы выпускаются на напряжение 115,230,460 В
с частотой вращения вала 1450 и 2850 мин'1. Двигатели — на
напряжение 110, 220, 440 В с частотой вращения вала 600, 750,
1000, 1500 и 3000 мин'1.
Микродвигатели имеют скорость вращения вала от несколь-
ких оборотов до 3000 об/мин и напряжение питания 12, 24, 27 В.
5.1.	Устройство и принципы действия машин
постоянного тока
Машина постоянного тока состоит из двух основных частей
— индуктора и якоря (рис. 5.1).
Рис. 5.1. Устройство
машины постоянного тока:
1 — станина; 2 — полюсы;
3 — полюсные наконечники;
4 — обмотка возбуждения;
5	— вал; 6 — якорь;
7	— обмотка якоря;
8	— лапы; 9—рем-болт
98
Индуктор — неподвижная часть машины, служит для созда-
ния основного магнитного потока, состоит из ярма (часть ста-
нины 1, по которой замыкается магнитный поток), полюсов 2,
полюсных наконечников 3 и обмотки возбуждения 4. По анало-
гии с машинами переменного тока неподвижную станину назы-
вают статором.
Якорь 6 — вращающаяся часть машины, состоит из вала 5,
на который насаживается сердечник, набранный из отдельных
листов электротехнической стали для уменьшения потерь на
гистерезис и вихревые токи, обмотки якоря 7, уложенной в пазы
сердечника, коллектора (на рисунке не показан). Коллектор —
полый цилиндр, набирается из отдельных медных пластин —
ламелей, изолированных друг от друга и от вала прессованной
слюдой — миканитом. К ламелям коллектора припаиваются
выводы якорной обмотки.
По коллектору скользят щетки, установленные в щеткодер-
жателях, на траверсе. В генераторах со щеток снимается напря-
жение, а в двигателях — подается.
Для установки машины используются лапы 8, а для транс-
99
На рис. 5.2 показана схема машины постоянного тока. Прин-
цип действия основан на законах электромагнитной индукции
и электромагнитных сил. При работе машины в режиме генера-
тора в рамке наводится э.д.с.
е - В ZVsina,
т
где Вт — магнитная индукция;
I — активная длина рамки (та часть рамки, которая пересека-
ется магнитным полем);
V — скорость движения рамки в магнитном поле;
а — угол между плоскостью рамки и вектором магнитной
индукции В.
В реальных машинах обмотка якоря состоит из последова-
тельных и параллельных проводников. Последовательное соеди-
нение проводников применяют для увеличения э.д.с., а парал-
лельное — для увеличения тока.
Электродвижущая сила обмотки якоря
Е = СЕФп = -^-Фп,
60л
где СЕ — электрическая постоянная машины;
Ф — магнитный поток полюсов;
п — частота вращения якоря;
р — число пар полюсов машины;
N — число активных проводников обмотки якоря;
а — число параллельных ветвей обмотки якоря.
Напряжение на зажимах генератора меньше э.д.с. на величи-
ну падения напряжения в якорной цепи:
где Е — э.д. обмотки якоря;
1Я — ток якоря;
Кя — сопротивление обмотки якоря.
Полезная мощность генератора
Р2Г=Е/,
где / — ток, проходящий по нагрузке.
100
Коэффициент полезного действия (к.п.д.) генератора
Р,г
”=Т
где Р' — подводимая механическая мощность на валу.
При подаче напряжения на щетки машина работает в режи-
ме двигателя (рис. 5.2). Под действием напряжения U по рамке
протекает ток /. Сила, действующая на рамку с током, опреде-
ляется по закону Ампера: F - B JIsma.
Сила F имеет наибольшее значение при а = 90°.
Напряжение на зажимах двигателя U = Е + 1ЯРЯ, откуда ток
якоря двигателя
r U-E U-СгФп
1Я =----=--------•
Вращающий момент двигателя зависит от величины магнит-
ного потока полюсов Фи тока якоря 1Я.
М =СМФ1Я=^-Ф1Я,
М 71	Л 7
2па
где См — конструктивная постоянная машины.
Вращающий момент может быть вычислен по другой форму-
ле, применимой для всех типов двигателей постоянного и пере-
менного тока
М = 9550 —[/Ул/],
п
где Р2 — мощность на валу двигателя, кВт;
п — частота вращения вала, мин-1.
Коэффициент полезного действия двигателя
Р1 Р2
п = — =—
Р, UI
где Р, — мощность, потребляемая из сети;
/ — ток, потребляемый из сети.
101
5.2.	Реакция якоря машин постоянного тока
Реакцией якоря называется воздействие магнитного поля яко-
ря на основное магнитное поле машины, которое создается глав-
ными полюсами. Для уяснения физического смысла реакции
якоря рассмотрим рис. 5.3.
Рис. 5.3. Реакция якоря
При взаимодействии двух магнитных полей распределение
магнитной индукции в воздушном зазоре под полюсами стано-
вится несимметричным: в одной половине каждого полюса ин-
дукция увеличивается, а в другой уменьшается. В целом резуль-
тирующее поле оказывается повернутым по отношению к оси
главных полюсов. Линия, перпендикулярная оси результирую-
щего потока, называется физической нейтралью (см. рис. 5.3).
При холостом ходе физическая нейтраль совпадает с геомет-
102
рической. При нагрузке физическая нейтраль смещается на угол
а, который пропорционален нагрузке: при работе машины в ре-
жиме генератора — в сторону вращения якоря, в режиме двига-
теля — против вращения якоря.
Уменьшение магнитного потока и смещение его относитель-
но геометрической нейтрали вызывает в генераторах уменьше-
ние э.д.с. якоря Е = СЕФп, а в двигателях — уменьшение вращаю-
щегося момента М = СМФ1Я.
Основным средством ослабления реакции якоря является при-
менение компенсационной обмотки, которая располагается в
полюсных наконечниках и включается последовательно с обмот-
кой якоря. Магнитное поле компенсационной обмотки направ-
лено навстречу магнитному полю обмотки якоря.
5.3.	Коммутация
Комплекс явлений, связанных с изменением направления тока
в замкнутых щеткой секциях якорной обмотки, называют ком-
мутацией. При этом между щетками и коллектором может на-
блюдаться искрение. Сильное искрение опасно для машины, при-
водит к оплавлению коллектора. Причиной искрения является
слабое давление щеток на коллектор, неровности поверхности
коллектора и другие механические причины. Вследствие реак-
ции якоря также возникает искрение, для его устранения в ма-
шинах малой мощности щетки сдвигают на физическую нейт-
раль (см. рис. 5.3). В машинах средней и большой мощности для
улучшения условий коммутации устанавливают дополнитель-
ные полюсы, которые располагают между основными. Катуш-
ки добавочных полюсов включают последовательно с якорной
обмоткой таким образом, чтобы магнитный поток добавочных
полюсов был направлен навстречу потоку якоря.
5.4.	Классификация генераторов постоянного тока
по способу возбуждения
Под возбуждением генератора понимается создание в нем маг-
нитного поля, необходимого для наведения э.д.с. в обмотке яко-
103
ря. Все генераторы постоянного тока подразделяются на гене-
раторы с независимым возбуждением и на генераторы с само-
возбуждением.
Обмотка возбуждения генераторов независимого возбужде-
ния питается от независимого постороннего источника посто-
янного тока (от сети постоянного тока, от другого генератора
постоянного тока или от аккумуляторной батареи). Цепь воз-
буждения генератора электрически не связана с цепью якоря,
поэтому величина тока возбуждения зависит только от сопро-
тивления цепи возбуждения и подводимого к ней напряжения.
Генераторами самовозбуждения называются генераторы, у
которых обмотка возбуждения питается от якорной цепи.
Существует три типа генераторов самовозбуждения.
1.	Генераторы параллельного возбуждения (шунтовые), у
которых обмотка возбуждения подключается параллельно якор-
ной обмотке.
2.	Генераторы последовательного возбуждения (сериесные),
у которых обмотка возбуждения соединяется последовательно
с обмоткой якоря и с цепью внешней нагрузки.
3.	Генераторы смешанного возбуждения (компаундные), у ко-
торых на полюсах размещены две обмотки возбуждения, одна
из них подключается параллельно обмотке якоря, а другая —
последовательно с обмоткой якоря и внешней цепью.
Процесс самовозбуждения генератора происходит следую-
щим образом. При вращении якоря в магнитном поле полюсов
в якорной обмотке наводятся э.д.с. Еост = СЕФмтп. Эту э.д.с. на-
зывают остаточной, т.к. она наводится остаточным магнитным
потоком Фост = (2±3)%ФПОТП .Под действием э.д.с. по цепи воз-
буждения проходит ток /в, который создает уже больший маг-
нитный поток Фост +дФ, следовательно, большую э.д.с.
Еос„, 4-дЕ и больший ток возбуждения 1е +д/(:
Ф Е I -ъФ +дф —> Е +&Е —> 1 +д/ и т.д.
ост. ост. в.	ост.	ост.	в в
Процесс самовозбуждения генератора будет длиться до уста-
новления определенного тока возбуждения, соответствующего
определенному сопротивлению цепи обмотки возбуждения. Са-
104
мовозбуждение генератора возможно только при совпадении по
направлению остаточного магнитного потока и магнитного
потока обмотки возбуждения.
5.5.	Генератор постоянного тока независимого
возбуждения
Обмотка возбуждения генератора подключается к посторон-
нему источнику постоянного тока (рис. 5.4). Регулировочный
реостат R служит для изменения тока в обмотке возбуждения,
следовательно, магнитного потока Ф и э.д.с. генератора Е.
Рис. 5.4. Схема включения
генератора постоянного тока
независимого возбуждения
Выводы якорной обмотки Я] и Я2 подключены к сопротивле-
нию нагрузки R
1 J	негр.
105
Основными характеристиками генератора являются следу-
ющие.
1.	Характеристика холостого хода.
Зависимость Е -fij) называется характеристикой холостого
хода генератора. Эта характеристика снимается при постоян-
ной частоте вращения вала п = const и при отключенной на-
грузке R = оо, 1я=0- Эта же зависимость является характерис-
тикой магнитной цепи машины, имеет вид кривой намагничи-
вания стали. Характеристика (рис. 5.5) начинается не с нуля, а с
некоторого значения Е =(2-*-3)%{/ за счет остаточного маг-
нитного потока Фост. Первый участок является прямолинейным
участком, так как Ф = 1в,а Е=Ф.
Рис. 5.5. Характеристика холостого хода генератора постоянного
тока независимого возбуждения
При увеличении тока возбуждения сталь генератора насыща-
ется (участок 2) и линейная связь между током возбуждения и
магнитным потоком нарушается. При дальнейшем увеличении
тока возбуждения наступает насыщение стали генератора (уча-
сток 3), т.е. увеличение тока возбуждения дает незначительное
106
увеличение э.д.с. Е. Характеристика Е = Д/в) имеет две ветви:
восходящую и нисходящую. При снятии восходящей ветви идет
процесс намагничивания генератора, а при снятии нисходящей
ветви — размагничивания генератора. В итоге получается пет-
ля гистерезиса, площадь которой прямо пропорциональна по-
терям в стали генератора.
2.	Внешняя характеристика генератора U =
Характеристика снимается при постоянной скорости враще-
ния якоря п = const и при постоянном сопротивлении цепи воз-
буждения R = const. Характеристика имеет вид кривой (рис.
5.6), наклонной к оси абсцисс, т. е. с увеличением тока якоря
(тока нагрузки) напряжение на зажимах генератора уменьшает-
ся. Напряжение генератора определим по второму закону Кирх-
гофа для замкнутого контура, составленного цепью якоря и на-
грузки: U = Е- 1ЯЕЯ-
Напряжение на зажимах генератора U с увеличением тока На-
грузки 1Я уменьшается вследствие падения напряжения в цепи
якоря EUя = 1ЯЕЯ и уменьшения э.д.с. Е в результате размагни-
чивающего действия реакции якоря.
Номинальное изменение напряжения генератора &Uпот со-
ставляет (5-*-15)%{/ :
v 7 пот
107
±U=U° U"um-100%,
пот	j- j	.	7
пот
где Uo — напряжение холостого хода генератора;
U — номинальное напряжение.
пот	г
3.	Регулировочная характеристика.
Регулировочная характеристика (рис. 5.7) Iв = f(Iя) показыва-
ет, как нужно изменять ток возбуждения генератора 1в при изме-
нении тока якоря 1Я, чтобы напряжение на зажимах генератора
оставалось постоянным.
Характеристика снимается при п = const и U = const,
г	г	г пот
Обмотка возбуждения генератора подключается параллель-
но якорной цепи, поэтому его называют шунтовым генерато-
ром (рис. 5.8).
Реостатом R регулируется ток возбуждения Ig. К выводам
якорной цепи подключается сопротивление нагрузки R.
Ток якоря 1Я в этом генераторе складывается из тока возбуж-
дения 1в и тока нагрузки 1нагр: 1я = 1к + I .
Ток в цепи возбуждения / определяется по закону Ома
Ro.e. + Rpe?.
108
где U — напряжение на зажимах генератора;
Rie — сопротивление обмотки возбуждения;
R — сопротивление регулировочного реостата.
Обычно 1в = (2,5-3)%/Япот, т. е. ток возбуждения не превышает
3% от номинального тока якоря.
Рис. 5.8. Схема включения генератора постоянного тока
параллельного возбуждения
Для генератора постоянного тока параллельного возбужде-
ния снимаются три характеристики: характеристика холостого
хода, внешняя характеристика и регулировочная характеристи-
ка. Характеристика холостого хода ничем не отличается от ха-
рактеристики генератора с независимым возбуждением (рис. 5.9).
Внешняя характеристика (см. рис. 5.6) генератора параллельного
109
возбуждения имеет больший наклон к оси абсцисс, чем характе-
ристика генератора независимого возбуждения. Это объясняет-
ся падением напряжения в якорной цепи &U я = IЯКЯ и уменьше-
нием э.д.с. Е вследствие реакции якоря, а также уменьшением
э.д.с. Е вследствие уменьшения тока возбуждения Л
Рис. 5.9. Внешняя характеристика генератора постоянного тока
параллельного возбуждения
Номинальное снижение напряжения достигает 25-30% от
номинального значения напряжения генератора UH. Регулировоч-
ная характеристика I =А1Я) представлена на рис. 5.7. Генераторы
постоянного тока параллельного возбуждения широко применя-
ются на практике, так как позволяют регулировать напряжение в
широких пределах.
5.6.	Генератор постоянного тока последовательного
возбуждения
Якорная обмотка включается последовательно с обмоткой
возбуждения и нагрузкой (рис. 5.10), поэтому 1Я= 1в= 1нагр.
110
Рис. 5.10. Схема включения
генератора постоянного
тока последовательного
возбуждения
Рис. 5.11. Внешняя характеристика
генератора постоянного тока
последовательного возбуждения
111
При отключенном сопротивлении R напряжение генера-
тора U = Емт, в режиме нагрузки U = Е- (Ея + Roв)1Я, т.е. генера-
тор возбуждается только при включенном сопротивлении на-
грузки. Внешняя характеристика (рис. 5.11) начинается не с нуля,
а с некоторого значения Емт, далее напряжение увеличивается
до насыщения магнитной цепи (точка U ) и уменьшается с уве-
личением тока нагрузки.
Генератор с последовательным возбуждением не использует-
ся на практике вследствие сложности поддержания постоянно-
го по величине напряжения на нагрузке.
5.7.	Генератор постоянного тока смешанного
возбуждения
тока смешанного
возбуждения
112
Генератор имеет две обмотки возбуждения: параллельную
(шунтовую) и последовательную (сериесную). Параллельная
обмотка возбуждения включается параллельно якорной обмот-
ке, а последовательная — последовательно с нагрузкой (рис.
5.12). В этом генераторе представляет интерес анализ внешних
характеристик (рис. 5.13). При согласном включении обмоток
возбуждения, т.е. при одинаковом направлении магнитных по-
токов получается «жесткая» внешняя характеристика. С увели-
чением нагрузки напряжение на зажимах генератора практичес-
ки не изменяется. При встречном включении обмоток внешняя
характеристика имеет крутопадающий характер, так как маг-
нитные потоки обмоток направлены навстречу друг другу.
Рис. 5.13. Внешние характеристики генератора
постоянного тока смешанного возбуждения:
1 — согласное включение обмоток возбуждения;
2 — встречное включение обмоток возбуждения
Генераторы смешанного возбуждения применяются для пи-
тания электрических сетей постоянного тока, так как напряже-
ние на нагрузке изменяется незначительно, и в качестве свароч-
ных генераторов (рис. 5.13, кривая 1 и кривая 2).
113
5.8.	Классификация двигателей постоянного тока
по способу возбуждения
Двигатели постоянного тока классифицируются аналогично
генераторам:
1.	Двигатели постоянного тока независимого возбуждения.
2.	Двигатели постоянного тока параллельного возбуждения.
3.	Двигатели постоянного тока последовательного возбуж-
дения.
4.	Двигатели постоянного тока смешанного возбуждения.
В отличие от генераторов, практическое применение нахо-
дят все типы двигателей. К достоинствам двигателей следует от-
нести регулирование в широких пределах скорости вращения
вала, способы реверсирования (изменения направления враще-
ния). К недостаткам — сравнительно частое обслуживание ще-
точно-коллекторного узла.
5.9.	Двигатель постоянного тока независимого
возбуждения
Обмотка якоря двигателя подключается к одной сети посто-
янного тока, а обмотка возбуждения — к другой сети. Такое
включение применяется в системах автоматизированного регу-
лирования для плавного изменения частоты вращения вала.
Перед пуском двигателя реостат R ставят на максимальное
сопротивление для ограничения тока двигателя. В момент пус-
ка ток якоря двигателя
U-Е U
Я~
где U — напряжение, подаваемое на якорную обмотку;
Е = СепФ — противо-э.д.с., при неподвижном якоре п = О,
следовательно, Е = 0;
Ля — сопротивление обмотки якоря.
Сопротивление якорной обмотки незначительно, десятые,
сотые доли Ома, поэтому в момент пуска ток превышает номи-
114
нальный в 10-20 раз. Для ограничения пускового тока Последо-
вательно с якорной обмоткой включают пусковой реостат, тог-
да ток якоря
в 2-3 раза превышает номинальный и который не опасен для дви-
гателя. По мере разгона двигателя реостат RnvcK выводят на ноль.
Рис. 5.14. Схема включения в сеть двигателя постоянного тока
независимого возбуждения
Реостат Rpee в цепи обмотки возбуждения перед запуском дви-
гателя устанавливают на ноль для ограничения скорости вра-
щения вала, после запуска реостатом Ррег устанавливают необ-
ходимую скорость вращения вала:
115
Е и-Ея1я
п =----=------
СЕФ СЕФ
т.е. скорость вращения вала можно регулировать изменением
магнитного потока Ф (изменением тока возбуждения 1е), изме-
нением сопротивления якорной цепи. В последнем случае реос-
тат R должен быть рассчитан на продолжительную работу.
Реверсирование двигателя осуществляется изменением направ-
ления тока в якорной цепи или в цепи обмотки возбуждения.
Основными характеристиками двигателей являются механи-
ческая, регулировочная и рабочая.
Механической характеристикой называют зависимость час-
тоты вращения вала от момента на валу п
Для двигателя независимого возбуждения характеристика
имеет вид прямой с небольшим наклоном к оси абсцисс (рис.
5.15). При увеличении нагрузки скорость вращения вала незна-
чительно уменьшается (1+2)%и . Характеристика снимается
при U = const и R = const.
Зависимость п называется регулировочной характерис-
тикой (характеристикой холостого хода), снимается при посто-
янной величине напряжения U = U и отсутствии момента на
валу двигателя М = 0. При малых значениях тока возбуждения
116
скорость вращения вала изменяется обратно пропорционально
току возбуждения, так как при ненасыщенном магнитопроводе
Ф^1К. С увеличением тока возбуждения пропорциональность меж-
ду магнитным потоком и током возбуждения нарушается вслед-
ствие насыщения магнитопровода машины; и магнитный поток с
увеличением тока возбуждения возрастает все в меньшей степе-
ни, поэтому далее кривая идет почти параллельно оси абсцисс.
Обрыв в цепи возбуждения двигателя недопустим, т.к. при
1в - 0 скорость вращения вала п —> °о, двигатель идет в «раз-
нос».
Рабочими характеристиками двигателя называют зависи-
мость скорости вращения вала п, величины тока якоря 1Я, мо-
мента на валу М, потребляемой из сети мощности Рр коэффици-
ента полезного действия Т| от мощности на валу двигателя Р2
при U = const и Крег = const (рис. 5.17).
Зависимость п =flP2). Согласно уравнению
U -КЯ1Я
п =-----^-.
С£Ф
При увеличении нагрузки на валу Р2 ток якоря 1Я также уве-
личивается, следовательно, увеличивается падение напряжения
одновременно увеличивается реакция якоря, которая при-
водит к уменьшению магнитного потока Ф главных полюсов.
117
Однако падение напряжения в якорной цепи оказывает боль-
шее влияние, чем уменьшение магнитного потока, поэтому ско-
рость вращения вала незначительно уменьшается.
Рис. 5.17. Рабочие характеристики двигателя постоянного тока
независимого возбуждения
Зависимость	При холостом ходе.Р2 = 0, ток холосто-
го хода 1Я= (3-8)%1Япот. С увеличением мощности Р2, т.е. момен-
та М, ток якоря
/
я СМФ
увеличивается. При постоянных значениях Ф и п ток имел бы
линейную зависимость, но с увеличением нагрузки скорость не-
значительно уменьшается, магнитный поток Ф вследствие раз-
магничивающего действия реакции якоря также уменьшается,
поэтому ток якоря 1Я возрастает нелинейно.
118
Зависимость М = fiP2). Ход кривой определяется уравнением
М = 9550 — .
п
График М -fiP2) повторяет зависимость 1Я =f(P2).
Зависимость P=f(P^. Ход кривой подобен зависимости 1Я =
flP2), так как Р, = 1ЛЯ + Шв. При постоянном по величине напря-
жении сети и неизменном сопротивлении цепи возбуждения ток
в обмотке возбуждения
также постоянная величина, следовательно, Р{=1Я-
Зависимость т] =ДР2). Характер изменения к.п.д. в зависимо-
сти от нагрузки двигателя типичен для всех электрических ма-
шин. Номинальный к.п.д. современных машин постоянного тока
достигает 97%. С увеличением нагрузки к.п.д. двигателя увели-
чивается от нуля при холостом ходе до максимального значе-
ния, соответствующего нагрузке 80-90% от номинальной, затем
уменьшается.
5.10.	Двигатель постоянного тока параллельного
возбуждения
Схема включения в сеть показана на рис. 5.18. Обмотка яко-
ря и обмотка возбуждения соединены параллельно и включены
в сеть постоянного тока. Пуск двигателя осуществляется точно
так же, как и двигателя независимого возбуждения.
При номинальном напряжении на зажимах якоря и номиналь-
ном токе возбуждения механическая характеристика полностью
совпадает с характеристикой двигателя независимого возбуж-
дения (см. рис. 5.15). Регулировочная и рабочие характеристики
представлены соответственно на рис. 5.16 и 5.17.
Двигатели параллельного возбуждения применяются в уст-
ройствах, промышленных машинах, где необходимо в широких
пределах регулировать скорость вращения вала, например, в
приводах некоторых типов ленточных конвейеров.
119
= и
Рис. 5.18. Схема включения в сеть двигателя постоянного
тока параллельного возбуждения
5.11.	Двигатель постоянного тока
последовательного возбуждения
Обмотка якоря двигателя включается последовательно с об-
моткой возбуждения, следовательно, - /й (рис. 5.19). Магнит-
ный поток пропорционален току якоря: Ф - Кф- 1Я, а момент на
валу машины М = СМФ1Я = СмКф1я2.
Зависимость п -f(M) является параболой (рис. 5.20). При на-
грузке менее 0,25Л/ „ скорость вращения резко увеличивается и
двигатель идет «вразнос», поэтому вал двигателя должен быть,
надежно соединен с рабочим механизмом, муфтой или червяч-
ной передачей. При малой скорости вращения двигатель разви-
вает значительный момент. Это свойство двигателей последо-
вательного возбуждения используется на электрической тяге —
двигатели последовательного возбуждения применяются в трам-
ваях, троллейбусах, метро.
120
Рис. 5.19. Схема включения в сеть двигателя постоянного тока
последовательного возбуждения
Рис. 5.20. Механическая характеристика двигателя постоянного
тока последовательного возбуждения
121
Зависимость п На рис. 5.21 показана естественная регу-
лировочная характеристика. Скорость вращения вала можно
регулировать двумя способами: реостатом R в цепи якоря и
реостатом R , подключаемым параллельно обмотке возбуж-
дения (см. рис. 5.19). В последних двух случаях получаются ис-
кусственные (реостатные) характеристики.
При первом способе регулирования скорости реостатом R
все характеристики располагаются ниже естественной характе-
ристики (рис. 5.21). Реостат R должен быть рассчитан на дли-
тельную работу.
При втором способе регулирования скорости сопротивление
реостата 2? ( должно быть соизмеримо с сопротивлением об-
мотки возбуждения.
Так, например, при уменьшении сопротивления R боль-
шая часть тока идет мимо обмотки возбуждения, следовательно,
магнитный поток Ф уменьшается, а скорость вращения
С.Ф
увеличивается. Получаемые характеристики располагаются
выше естественной характеристики (см. рис. 5.21).
Рабочие характеристики снимаются при постоянном значе-
нии напряжения сети U = const (рис. 5.22).
122
Зависимость п =fi.P2). Скорость вращения вала двигателя оп-
ределяется формулой:
где 1Я = 1в — ток, протекающий по обмотке якоря и обмотке воз-
буждения;
Кя — сопротивление обмотки якоря;
RB — сопротивление обмотки возбуждения.
При увеличении нагрузки на валу машины увеличивается ток
якоря 1Я и падение напряжения 1Я(РЯ + /?й), однако в большей
степени влияние на скорость оказывает возрастание магнитно-
го потока Ф, поэтому скорость вращения вала уменьшается.
Зависимость IB-fiP2). С увеличением нагрузки на валу Р2 ток
двигателя увеличивается. Вследствие насыщения магнитопро-
вода зависимость имеет криволинейный характер.
Рис. 5.22. Рабочие характеристики двигателя постоянного тока
последовательного возбуждения
Зависимость Р, = ДР2). Подводная мощность Рх = U • 1Я. На-
пряжение при снятии рабочих характеристик U = const, поэтому
подводимая мощность изменяется пропорционально току.
Зависимость т| =flP2) характерна для всех машин постоянно-
го тока, см. также рис. 5.17.
123
Зависимость М = /(Р2). При увеличении мощности Р2 резко
уменьшается скорость вращения п и вращающий момент
М = 9550 —
п
возрастает по квадратичному'закону.
5.12.	Двигатель постоянного тока смешанного
возбуждения
Двигатель смешанного возбуждения имеет две обмотки воз-
буждения: одну параллельную, другую последовательную (рис.
5.23). Обмотки могут включаться согласно или встречно. При
согласном включении обмоток характеристика скорости распо-
лагается между характеристиками двигателей параллельного и
последовательного возбуждения (рис. 5.24, кривая 1). Встреч-
ное включение применяется для получения жесткой характерис-
тики (рис. 5.24, кривая 2).
Рис. 5.23. Схема включения
в сеть двигателя постоянного
тока смешанного
возбуждения
124
Рис. 5.24. Механические характеристики
двигателя смешанного возбуждения:
1	— при согласном включении обмоток:
2	— при встречном включении обмоток
5.13.	Коэффициент полезного действия машины
постоянного тока
К.п.д	. машины — отношение полезной мощности Р2 к затра-
ченной (потребляемой) Рх:
Для генераторов мощность Р2 — это электрическая мощность,
отдаваемая в нагрузку, а Р1 — мощность на валу. Для двигате-
лей Р2 — полезная мощность на валу, а Рх — потребляемая из
сети.
Суммарные потери в машине дР складываются из электри-
ческих дР„, потерь в стали дРст, механических потерь дРиех и
добавочных потерь &Рдоб:
дР =дР +дР +дР +дЛ
э.1 ст мех д
Электрические потери д Рэ7 — потери на нагревание обмоток
якоря, возбуждения, дополнительных полюсов, компенсацион-
ной обмотки и потери в щеточном контакте. Электрические по-
тери зависят от нагрузки машины, поэтому они относятся к пе-
ременным потерям.
125
Потери в стали дРст — потери на гистерезис и вихревые токи,
не зависят от нагрузки, поэтому относятся к постоянным поте-
рям.
Механические потери — это потери на трение в под-
шипниках, щеток о коллектор и вентиляционные потери. Все эти
потери зависят от скорости вращения якоря, и при и = const их
можно считать постоянными.
Добавочные потери д^)о5 — потери в сердечнике якоря при
искажении магнитного поля вследствие реакции якоря, и поте-
ри, возникающие при коммутации тока в обмотке якоря. Они
составляют примерно 1% от потребляемой мощности.
При холостом ходе Р2 = 0, поэтому к.п.д. г| = 0, при возраста-
нии нагрузки суммарные потери дР практически остаются по-
стоянными и к.п.д. увеличивается, достигая максимального зна-
чения, когда постоянные потери равны переменным потерям.
При токе нагрузки, близком к номинальному, переменные поте-
ри превышают постоянные, и к.п.д. уменьшается.
126
6. МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
6.1. Принцип действия асинхронного двигателя
Вращающийся со скоростью п, постоянный подковообразный
магнит (рис. 6.1) создает вращающееся магнитное поле. Это поле
пересекает токопроводящий диск (медный или алюминиевый) и
наводит в нем по закону электромагнитной индукции э.д.с. Е.
Под действием э.д.с. Е в диске возникает ток I, который создает
магнитный поток Ф. За счет взаимодействия двух магнитных по-
токов, диска и магнита, диск вращается в ту же сторону, что и
подковообразный магнит. Причем и, всегда будет больше пг
Такое вращение получило название асинхронного. Скорость
вращения диска п2 не может достигнуть скорости вращения маг-
нита так как в этом случае в диске не будет наводится э.д.с.
Описанный принцип асинхронного вращения лежит в основе
принципа действия асинхронного двигателя.
Рис. 6.1. Проводящий диск в магнитном поле
6.2. Устройство трехфазного асинхронного
двигателя
Двигатель состоит из неподвижной части — статора и под-
вижной — ротора. Статор (рис. 6.2) набирается из отдельных
листов электротехнической стали, имеет форму цилиндра. В ста-
торе фрезеруются пазы, в которые укладывается статорная об-
мотка. Выводы статорной обмотки выводятся на клеммный
127
щиток (рис. 6.3). Цифрами 1, 2 и 3 обозначены начала фаз, циф-
рами 4, 5, 6 — концы фаз. В зависимости от напряжения сети
обмотки могут соединятся в звезду или в треугольник.
В сеть
В сеть
	 1 - ,6	2  4 	3 5
б
Рис. 6.3. Схема соединения выводов асинхронной машины:
а — в звезду; б — в треугольник
128
Три фазы статорной обмотки располагаются под углом 120°
друг относительно друга и при подключении к трехфазной сети
создают вращающееся магнитное поле с частотой
1 р
где f— частота тока сети;
Р — число пар полюсов.
Обычно каждая фаза разбивается на секции — полюсы. От
числа пар полюсов зависит частота вращения:
р	1	2	3	4	5	6
п{, мин 1	3000	1500	1000	750	600	500
Ротор — вращающаяся часть машины, состоит из вала, на
котором располагается сердечник, набранный из отдельных
листов электротехнической стали и обмотки. По типу ротора
машины делятся на машины с короткозамкнутым ротором и на
машины с фазным ротором (с контактными кольцами).
Короткозамкнутый ротор (рис. 6.4) выполняется в виде «бе-
личьей клетки».
Алюминиевые стержни (в машинах большой мощности —
медные) укладываются в пазы сердечника и замыкаются с двух
сторон кольцами.
Фазный ротор (рис. 6.5) имеет обмотку, аналогичную обмот-
ке статора. Обмотка соединяется в «звезду», и три ее конца вы-
водятся на контактные кольца. С помощью щеток к обмотке
подключается пусковой реостат. В момент запуска двигателя
реостат выводится на максимальное сопротивление для огра-
ничения тока. По мере разгона реостат выводят в верхнее поло-
жение, и двигатель работает как короткозамкнутый. Пусковым
реостатом можно в небольших пределах регулировать частоту
вращения вала.
Двигатели с фазным ротором широкого распространения не
получили, так как имеют довольно сложную конструкцию.
5.	Электротехника и электроника
129
2
Рис. 6.5. Фазный ротор асинхронной машины: 1—контактные
кольца; 2 — щетки; 3 — пусковой реостат
Скорость вращения ротора всегда меньше скорости враще-
ния магнитного поля статора. Величина, характеризующая от-
ставание скорости вращения ротора от скорости вращения маг-
нитного поля статора, называется скольжением:
И,
130
Обычно скольжение выражают в процентам, в зависимости
от мощности двигателя скольжение изменяется от двух до вось-
ми процентов.
Трехфазные асинхронные генераторы применяются редко,
так как загружают линию реактивным током и имеют низкий
к.п.д. Наибольшее распространение получили трехфазные асин-
хронные двигатели с короткозамнутым ротором, отличающие-
ся сравнительно невысокой стоимостью, надежностью, удоб-
ством в эксплуатации. Это основной тип двигателя производ-
ственных механизмов, поэтому далее рассматриваются трехфаз-
ные асинхронные двигатели с короткозамнутым ротором.
6.3.	Электромагнитные процессы в трехфазном
асинхронном двигателе
Процессы, происходящие в двигателе, аналогичны процес-
сам в трансформаторе. В двигателе происходит трансформация
энергии из статорной обмотки в роторную. К каждой фазе ста-
тора подводится сетевое напряжение U}, под действием которо-
го по обмотке протекает ток
! Ц.-Е,	U.-E,
' z,
где Е1 — э.д.с. фазы статора;
Zj — полное сопротивление фазы статора;
/?] — активное сопротивление фазы статора;
%! — реактивное сопротивление фазы статора.
Ток обмотки статора создает магнитный поток Ф, под дей-
ствием которого в обмотке ротора наводится э.д.с.
е2 = с£2/2ф,
где С£э — постоянный для ротора каждой машины коэффициент;
f2=fx • S — частота тока в роторе;
/j = 50Гц — частота тока в статоре.
Частота тока во вращающемся роторе изменяется в пределах
(Ь4)Гц.
131
Аналогичная формула получается для э.д с. фазы обмотки
статора
Е^С^Ф,
где С£| — постоянный коэффициент для статора данной ма-
шины.
Отношение постоянных коэффициентов называется коэффи-
циентом трансформации
В момент запуска двигателя ротор неподвижен, следователь-
но, л2= 0, a S = 1, э.д.с.
Е2
Е,иеи - CF /,Ф • —, откуда £ = Е, • S.
-><еп	1	$ J ~ 2НеП
Анализируя последнюю формулу, приходим в выводу, что
максимальное значение э.д.с. Е2 имеет место при неподвижном
роторе, а при идеальном холостом ходе (/г, = п,) Е,= 0.
! _Е2	Ег	Е2 '
z2	+	^R2+(x2He„-s)2'
где Z2 — полное сопротивление фазы ротора;
/?2 — активное сопротивление фазы ротора;
Х2 — реактивное сопротивление фазы ротора.
Следует заметить, что активное сопротивление R2 практичес-
ки не зависит от частоты тока. Реактивное сопротивление Х2 =
2f\L2S = X2wn  S, где L, — индуктивность фазы обмотки ротора,
как видно из формулы, зависит от частоты тока.
Процессы в двигателе наглядно иллюстрирует векторная ди-
аграмма (рис. 6.6). Как известно, на диаграмме должны быть
векторы одинаковой частоты, поэтому диаграмма строится для
неподвижного ротора, при этом/] = /.
_ За основной вектор принимается вектор магнитного потока
Ф. Вектор тока холостого хода /ю опережает вектор магнитно-
го потока Ф на угол магнитных потерь б, который зависит от
132
характеристик стали магнитопровода. Ток холостого хода со-
ставляет (20-40)%/biom, такое высокое значение объясняется на-
личием воздушного зазора между статором и ротором (для срав-
нения, в трансформаторах /|0= (2,5-10)%/|Н).
Рис. 6.6. Векторная диаграмма трехфазного асинхронного двигателя
133
Векторы Ei и_Егнен отстают от вектора Ф на угол 90°. Век-
тор тока ротора 7г расположен под углом
^2 =«^^77
А? /Э
к вектору
Ё2«е„=72^- + 72Х2те„.
Вектор 1г совпадает по фазе с вектором
Вектор падения напряжения на индуктивном сопротивлении
ротора 72Х2да, перпендикулярен вектору у 2 Вектор тока стато-
ра 71 = 7ю + 1'г, гае 7\ — приведенный ток ротора (ток рото-
ра, приведенный к параметрам обмотки статора):
Напряжение, подведенное к статору, определяется из уравнения
_JJx = -E1 + Z1E1 + 71 Хх =-Ex+llZx.
Вектор IlR] совпадает по фазе с вектором
6.4.	Основные характеристики трехфазного
асинхронного двигателя
6.4.1.	Рабочие характеристики
Зависимость п2 =/(Р2) (см. рис. 6.7). При холостом ходе Р2= О,
ротор вращается со скоростью п =п . С увеличением нагрузки
на валу Р2 скорость п2 незначительно уменьшается, зависимость
п2 = /(Р,) — линия с небольшим наклоном к оси абсцисс.
Зависимость S = f(P2). При холостом ходе
5 =	^ = 0,
и,
134
с увеличением нагрузки п2 уменьшается, а скольжение 5 увели-
чивается.
Зависимость М =f(P2). Момент на валу двигателя М связан с
мощностью Р2 известным соотношением:
М =9550
Учитывая незначительное изменение скорости п2, получаем
характеристику, близкую к линейной.
Зависимость cosq^ =f(P^. На холостом ходу cos(p1 < 0,2, так как
реактивная составляющая тока значительно превышает активную.
С увеличением нагрузки возрастает активная составляющая тока,
и coscp] достигает максимального значения при Р,= РЪют.
lv М, т]> п2, S, costp,	|
Рис. 6.7. Рабочие характеристики трехфазного асинхронного
двигателя
135
Зависимость = /(Р2). При Р2 - 0 ток двигателя равен току
холостого хода /ж= (20-40)%/|лотп. С увеличением нагрузки ток
статора Л = li0 + l'2 увеличивается за счет составляющей .
Зависимость т| = Коэффициент полезного действия
Р2
Т)=-^
равен нулю при Р2 = 0. Максимального значения к.п.д. достига-
ет при равенстве переменных и постоянных потерь, что обычно
имеет место при нагрузке Р = (0,8-0,9)Р2 .
Суммарные потери в трехфазных асинхронных двигателях
аналогичны потерям в других двигателях
&Р =&Р +д.Р +дР "Га/5 +дМ г,
стат рот ст мех	боб ’
где ьРсн,ат и ьР от — электрические потери, соответственно, в
статоре и роторе, зависят от нагрузки, относятся к переменным
потерям;
дРси, — потери в стали двигателя на гистерезис и вихревые
токи, относятся к постоянным потерям;
дРЛ(ег— механические потери — потери в подшипниках и на
вентиляцию, относятся к постоянным потерям;
дРйоб — добавочные потери составляют 0,5%Р1лот, относятся
к постоянным потерям.
6.4.2.	Механическая характеристика п2 = f(M)
В режиме холостого хода момент М = 0, а скорость вращения
вала п2~ пх (рис. 6.8). Под нагрузкой скорость вращения вала
уменьшается. Устойчивая часть характеристики выделена
сплошной линией.
В момент запуска п2 - 0, а момент на валу М = Мпуск, по мере
разгона двигателя момент увеличивается, достигает значения
М, и далее двигатель выходит на рабочую часть характерис-
тики. Критическому моменту М соответствует критическое
скольжение S. Момент на валу двигателя может быть рассчи-
тан по формуле, вывод которой здесь не приводится:
136
2Мкр
М =------?—
5
Рис. 6.8. Механическая характеристика трехфазного асинхронного
двигателя
Значения Мкр и SKp приводятся в паспорте двигателя. Задава-
ясь любым значением 5 от 0 до S, определяем момент на валу
двигателя.
Для тяжелых условий запуска (большая нагрузка на валу в
момент пуска) промышленность выпускает двигатель с улучшен-
ными пусковыми характеристиками. Кратность пускового мо-
мента у этих типов двигателей составляет
-^- = 1,5-2.
М пот
137
6.5.	Пуск и реверсирование трехфазных
асинхронных двигателей
Пусковой ток трехфазных асинхронных двигателей превыша-
ет номинальный в 5-7 раз. Такое увеличение тока в сети приво-
дит к снижению сетевого напряжения, что отрицательно сказы-
вается на остальных потребителях. Чем мощнее двигатель, тем
больше его пусковой ток и время разгона до рабочей скорости.
Частые пуски могут привести к перегреву обмоток двигателя.
Двигатели малой и средней мощности допускается включать
напрямую в сеть (рис. 6.9). Включение производится с помощью
трехфазного рубильники Р или автоматического выключателя,
последний отключает двигатель от сети при перегрузках и ко-
ротких замыканиях.
Двигатели большой мощности включаются в сеть по схемам,
предусматривающим подведение к статорной обмотке понижен-
ного напряжения. При использовании этих схем необходимо
учитывать, что момент на валу двигателя прямо пропорциона-
лен квадрату напряжения — М =U^, поэтому даже незначитель-
ное уменьшение напряжения резко снижает пусковой момент, и
двигатель может не запускаться. Рассмотрим наиболее употре-
бительные на практике способы запуска.
1.	Для ограничения пускового тока в момент запуска в цепь
ротора включаются реактивные сопротивления (рис. 6.10). При
пуске в ход рубильник Р} замкнут, а Р2 — разомкнут. После раз-
гона двигателя рубильник Р2 замыкается и сетевое напряжение
подается на обмотку статора.
2.	Автотрансформаторный запуск является более эффектив-
ным, но и более дорогим за счет применения трехфазного транс-
форматора (рис. 6.11).
К обмотке статора подводится пониженное напряжение, ко-
торое увеличивается по мере разгона двигателя. Достоинством
этого способа является плавная регулировка напряжения.
3.	Переключение обмотки статора со звезды на треугольник
осуществляется по схеме рис. 6.12.
138
Рис. 6.9. Включение
трехфазного асинхронного
двигателя в сеть
Рис. 6.10. Включение трехфазпого
асинхронного двигателя в сеть
с помощью реакторов
Этим достигается уменьшение пускового тока в три раза (со-
отношение линейных и фазных напряжений при соединении
обмоток в звезду Uл = 4зиф, при соединении в треугольник со-
отношение линейных и фазных токов /7 = у/31ф).
В момент пуска обмотки включаются звездой, после разгона
двигателя рубильником Р2 обмотки соединяются треугольником.
Достоинством этого способа пуска является его низкая сто-
имость, недостатком — невозможность его использования на
высшем сетевом напряжении двигателя, т.е., например, в сети
380 В, если двигатель рассчитан на А/А. 380/220.
Реверсирование (изменение направления вращения ротора)
двигателей осуществляется изменением порядка чередования фаз
139
статорной обмотки, для этого достаточно поменять местами две
любые фазы.
Рис. 6.12. Переключение обмотки
статора трехфазного
асинхронного двигателя со звезды
на треугольник при пуске
Рис. 6.11. Включение трехфазного
асинхронного двигателя в сеть
с помощью автотрансформатора
6.6.	Включение трехфазного асинхронного
двигателя в однофазную сеть
На практике часто возникает проблема включения трехфаз-
ного асинхронного двигателя в однофазную сеть. Одна из много-
численных схем включения приведена на рис. 6.13. Две фазы ста-
тора включаются напрямую в сеть. Третья фаза включается в сеть
через конденсатор Сраб, емкость которого выбирается опытным
140
путем из расчета 7 мкФ на 100 Вт мощности двигателя. На время
запуска включается пусковой конденсатор С (2-*-3)Сраб.
Достоинство этого способа — несложная схема включения,
недостатки — низкий к.п.д., на 10-20% меньше номинального,
пониженная мощность на валу 0,7-0,8Р2пип и перегрев конденса-
торной фазы на холостом ходу и малых нагрузках.
Рис. 6.13. Схема включения трехфазного
асинхронного двигателя
в однофазную сеть
6.7.	Однофазные асинхронные двигатели
Однофазные асинхронные двигатели так же, как и трехфаз-
ные, состоят из двух основных частей — статора и ротора. На
статоре расположена однофазная обмотка, два конца которой
выведены на клеммный щиток. Ротор выполняется короткозам-
кнутым в виде «беличьей клетки».
При подаче напряжения обмотка статора создает магнитный
поток Ф=Фт51п(М, изменяющийся во времени, но неподвижный
в пространстве, поэтому пусковой момент равен нулю. Это яв-
ляется отличительной особенностью однофазного двигателя.
141
Для создания пускового момента на статоре располагают пус-
ковую обмотку, подключаемую к сети через конденсатор
(рис.6.14).
Рис. 6.14. Схема включения в сеть
однофазного двигателя
Пусковая обмотка подключается рубильником Р2 на время
пуска двигателя. Если на валу двигателя не требуется повышен-
ного пускового момента, то пусковая обмотка включается на
время пуска в сеть без конденсатора. Аналогичные схемы при-
меняются в бытовых холодильниках и стиральных машинах.
Вместо рубильника Р ставится тепловое реле, отключающее
пусковую обмотку после пуска двигателя.
Для изменения направления вращения вала необходимо по-
менять местами зажимы пусковой или рабочей обмотки.
6.8.	Принцип действия и конструкция синхронных
машин
Вращающийся со скоростью П] постоянный подковообраз-
ный магнит создает вращающееся поле (рис. 6.15). Магнитная
142
стрелка, находящаяся в магнитном поле, вращается в ту же сто-
рону и с той же скоростью, что и постоянный магнит (п=п^).
Такое вращение называется синхронным и используется в синх-
ронных машинах.
Синхронные машины обратимы, т.е. они могут работать в
режиме генератора или двигателя. При работе в режиме генера-
тора вал машины приводится во вращение гидротурбиной, па-
ровой турбиной или дизельным двигателем. Соответственно
различают гидрогенераторы, устанавливаемые на гидроэлектро-
станциях (ГЭС), имеющие частоту вращения от 50 до 500 мин *,
турбогенераторы, устанавливаемые на тепловых электростан-
циях (ТЭС), имеющие частоту вращения 1500 или 3000 мин ’, и
дизель-генераторы передвижных электростанций с частотой
вращения 600, 750, 1000 мин \ Синхронные трехфазные генера-
торы являются основным типом генераторов всех электростан-
ций, включая атомные.
S
Рис. 6.15. Магнитная стрелка в поле
постоянного магнита
Статор синхронной машины ничем не отличается от статора
трехфазного асинхронного двигателя. Ротор машины — враща-
ющийся электромагнит, имеет обмотку, называемую обмоткой
возбуждения, подключаемую к источнику постоянного тока (не-
которые машины малой мощности выполняются с постоянны-
143
ми магнитами). В зависимости от назначения машины ротор
выполняется явнополюсным для низкооборотных и неявнопо-
люсным для высокооборотных машин (рис. 6.16).
Рис. 6.16. Фрагмент магнитной системы явнополюсного ротора
синхронной машины (а) и неявнополюсного (б):
1 — магнитопровод; 2 — обмотка возбуждения
Синхронные двигатели выпускаются в основном на большие
мощности, это двигатели прокатных станов, насосных и комп-
рессорных установок. Однофазные синхронные двигатели ис-
пользуются в системах автоматики и телемеханики, там, где тре-
буется постоянная частота вращения вала.
6.9.	Основные характеристики синхронных
генераторов
При работе синхронной машины в режиме генератора вал
приводится во вращение с постоянной скоростью. На обмотку
возбуждений подается напряжение от источника постоянного
тока (рис. 6.17).
Магнитный поток ротора Ф наводит по закону электромаг-
нитной индукции в обмотке статора э.д.с.
Характеристика холостого хода E=f(I) снимается при /я-0,
т.е. при отключенной нагрузке*.
* Статор синхронной машины называют якорем по аналогии с маши-
нами постоянного тока.
144
Изменением тока возбуждения 1в изменяется магнитный по-
ток Ф и э.д.с. Е генератора (рис. 6.18). Значение остаточной э.д.с.
Емт пропорционально остаточному магнитному потоку Фшт. Ха-
рактеристика имеет две ветви — восходящую и нисходящую,
является также характеристикой магнитной цепи машины
аналогична характеристике холостого хода машины
постоянного тока, см. рис. 5.5.
Э.д.с. синхронной машины
определяется так же, как и маши-
ны постоянного тока
Е-С^гФ,
где СЕ — постоянный коэффици-
ент;
п — частота вращения вала;
Ф — магнитный поток ротора.
При постоянной скорости
вращения вала п, э.д.с. Е зависит
только от величины магнитного
потока Ф.
Внешняя характеристика ге-
нератора снимается при
постоянного частоте вращения
вала w=const и постоянной вели-
чине тока возбуждения Z=const.
Напряжение на зажимах генера-
тора U зависит от величины тока
1я и характера нагрузки (рис. 6.19).
При активно-индуктивной
нагрузке поток якоря направлен
навстречу основному магнитно-
му потоку Ф и поэтому является
размагничивающим. Вследствие
реакции якоря основной магнит-
ный поток уменьшается, умень-
шается э.д.с. Е и напряжение на
зажимах генератора U.
-I-	-
Рис. 6.17. Схема включения
трехфазного генератора
145
Рис. 6.18. Характеристика холостого хода трехфазного
синхронного генератора
Рис. 6.19. Внешние характеристики трехфазного синхронного
генератора при нагрузке: 1 — активно-индуктивной; 2 — активной;
3 — активно-емкостной
При активной нагрузке напряжение U снижается вследствие
падения напряжения в обмотках. Реакция якоря проявляется
незначительно.
146
При активно-емкостной нагрузке реакция якоря намагничи-
вающая и напряжение U увеличивается.
Падение напряжения в обмотках возрастает при увеличении
Z при любом характере нагрузки. Величина э.д.с. Е зависит от
реакции якоря.
Регулировочная характеристика показывает, как сле-
дует изменять ток возбуждения 1я при изменении тока нагрузки
1я, чтобы напряжение на зажимах генератора U оставалось по-
стоянным. Характеристика снимается при постоянной скорос-
ти вращения вала n=const и постоянном напряжении U.
Рис. 6.20. Регулировочные характеристики трехфазиого синхронного
генератора при нагрузке: 1 — активно-индуктивной;
2 — активной; 3 — активно-емкостной
В процессе эксплуатации напряжение на зажимах генератора
поддерживается постоянным независимо от величины тока и
характера нагрузки посредством изменения тока возбуждения
(рис. 6.20). При активно-индуктивной и активной нагрузке не-
147
обходимо повышать ток возбуждения, а при активно-емкост-
ной — понижать.
6.10.	Включение трехфазного синхронного
генератора на параллельную работу с сетью
Трехфазные синхронные генераторы в автономном режиме
эксплуатируются только в стационарных и передвижных уста-
новках небольшой мощности. На электростанциях генераторы
включают параллельно в общую сеть (рис. 6.21). Условия вклю-
чения генератора в сеть следующие:
1)	равенство напряжений сети Ц и генератора (72;
2)	равенство частот сети/; и генератора /2;
3)	одинаковый порядок следования фаз сети и генератора, оп-
ределяется по ламповому синхроноскопу ЛС.
Ламповый синхроскоп ЛС состоит из трех ламп накалива-
ния. Каждая лампа подключается одним проводом к сети через
рубильник Рр а другим к генератору. При соблюдении всех ус-
ловий синхронизации лампы гаснут.
Если в процессе синхронизации чередование фаз генератора
и сети одинаково, то лампы равномерно загораются и гаснут,
если разное — то лампы загораются и гаснут поочередно.
Порядок включения генератора на параллельную работу сле-
дующий:
1)	установить номинальную частоту вращения вала генера-
тора;
2)	увеличить ток возбуждения генератора до установления но-
минального напряжения по вольтметру К2;
3)	замкнуть рубильник Рр подрегулировать скорость враще-
ния вала и ток возбуждения таким образом, чтобы частотомеры
показывали одну и ту же частоту f=f2, а вольтметры — одно и
то же напряжение U = U2;
4)	в момент полного погасания ламп синхроскопа ЛС замк-
нуть рубильник Р2, лампы погаснут, и генератор работает па-
раллельно с сетью.
148
работу с сетью
149
Рассмотренный метод синхронизации дает представление о
порядке подключения генератора. На электростанциях весь про-
цесс подключения автоматизирован.
6.11.	Пуск в ход синхронного двигателя
Обмотка статора включается в трехфазную сеть, а обмотка
ротора — к источнику постоянного напряжения (рис. 6.22). Так
как полярность статора по отношению к неподвижному ротору
постоянно изменяется, т.е. сила притяжения сменяется силой
отталкивания, то результирующий вращающий момент равен
нулю и ротор остается неподвижным. Отсутствие пускового
момента является недостатком синхронного двигателя.
R
Одним из способов пуска синхрон-
ного двигателя является асинхронный
пуск. На роторе располагается корот-
козамкнутая обмотка, аналогичная об-
мотке короткозамкнутого ротора трех-
фазного асинхронного двигателя. При
включении обмотки статора в сеть со-
здается вращающееся магнитное поле,
которое разворачивает ротор до скоро-
сти, близкой к скорости вращения маг-
нитного поля статора.
Обмотка возбуждения при пуске
двигателя замыкается на резистор R,
величина которого в десять раз превы-
4- шает сопротивление обмотки возбуж-
— дения. В разомкнутой обмотке возбуж-
дения наводится э.д.с., которая опасна
для обслуживающего персонала и изо-
ляции обмотки.
Рис. 6.22. Схема асинхронного пуска
синхронного двигателя
150
После разгона двигателя обмотка возбуждения подключает-
ся к источнику постоянного напряжения и двигатель втягивает-
ся в синхронизм.
6.12.	Основные характеристики трехфазного
синхронного двигателя
Рабочими характеристиками называются зависимости часто-
ты вращения вала п2, вращающего момента М, тока статора I,
коэффициента мощности cos(p, коэффициента полезного дей-
ствия г| от мощности на валу Р2 при постоянном сетевом напря-
жении t/^const, частоте /^const и токе возбуждения /=const
(рис. 6.23).
Частота вращения синхронного двигателя
60/
«1 = п2 =-
Р
остается постоянной при всех режимах работы машины от хо-
лостого'хода до нагрузки (1,5^2)^^^. При дальнейшем увели-
чении нагрузки двигатель выпадает из синхронизма. Это явле-
ние сопровождается резким увеличением числа оборотов п2 —> °°
и тока статорной обмотки. Во избежание повреждений двига-
тель должен быть немедленно отключен от сети. Зависимость
л2=/(Р2) изображается прямой линией, параллельной оси абсцисс.
Такая характеристика называется абсолютно жесткой.
Вращающий момент	изменяется пропорционально
полезной мощности Р2 и изображается прямой, проведенной из
начала координат.
Ток статора I=f(P2) с увеличением мощности Р2 также увели-
чивается, начиная со значения тока холостого хода /0, за счет
увеличения активной и реактивной составляющих.
Характер изменения coscp^/C/y зависит от первоначальной
установки тока возбуждения. Если на холостом ходу установить
ток возбуждения, соответствующий cos<p=l, то характеристика
имеет вид кривой, наклоненной к оси абсцисс.
151
Рис. 6.23. Рабочие характеристики трехфазного
синхронного двигателя
Зависимость Т|=/(Р2) имеет обычный для всех электрических
машин характер. С увеличением мощности Р2 к.п.д. увеличива-
ется, достигает максимального значения при Р2=(0,8-0,9)Р2)ют,
затем уменьшается.
[7-образные характеристики снимаются для различных мо-
ментов на валу при постоянном сетевом напряжении C^const
(рис. 6.24). Левая часть характеристик соответствует режиму
недовозбуждения двигателя, а правая часть — режиму перевоз-
буждения. В первом случае по отношению к сети двигатель рас-
сматривают как индуктивную нагрузку, а во втором — емкост-
ную. С возрастанием нагрузки точки [7-образных характерис-
тик, соответствующие cos<2=l, сдвигаются вправо. Это связано
с компенсацией реакции якоря и падения напряжения в обмотке
статора.
Правая часть [7-образных характеристик используется в ком-
пенсаторах — синхронных двигателях облегченной механичес-
кой конструкции и увеличенным сечением обмотки возбужде-
152
153
ния. Синхронные компенсаторы предназначены для повышения
coscp энергосистем (см. 2.17).
Механическая характеристика аналогична зависимо-
сти n=f(Pj (см. рис. 6.23). Скорость двигателя на рабочем учас-
тке характеристики не изменяется (рис. 6.25), поэтому синхрон-
ные двигатели применяются в механизмах, требующих посто-
янной скорости вращения вала.
154
7. ЭЛЕКТРОПРИВОД
Электроприводом называют электромеханическое устрой-
ство, предназначенное для электрификации и автоматизации
рабочих процессов, состоящее из электродвигателя, передаточ-
ных механизмов, соединяющих электродвигатель с исполнитель-
ными механизмами, и аппаратов управления.
Выбор электродвигателя — один из ответственных этапов
проектирования электропривода, так как именно двигатель в
значительной степени определяет технические и экономические
качества привода в целом. Из многочисленных типов двигате-
лей переменного и постоянного токов для привода той или иной
производственной машины должен быть выбран такой, кото-
рый наиболее полно удовлетворил бы технико-экономическим
требованиям. Это значит, что двигатель должен быть наиболее
простым по управлению, надежным в эксплуатации и иметь наи-
меньшую стоимость, массу и габариты, а также высокие энерге-
тические показатели. В сравнении со всеми существующими ти-
пами двигателей этим требованиям в наибольшей мере отвеча-
ют асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором. При
выборе двигателя такого типа необходимо выяснить, удовлет-
воряются или не удовлетворяются технические требования: до-
пустимое уменьшение скорости при увеличении нагрузки, допу-
стимая величина повторных включений, возможность быстро-
го и надежного пуска.
В напряженных режимах работы привода с большой часто-
той включений, где требуется повышенный или ограниченный
пусковой момент, а также регулирование частоты вращения в
узких пределах, применяют асинхронные двигатели с контакт-
ными кольцами. Для нерегулируемых приводов средней и боль-
шой мощности, работающих в продолжительном режиме с ред-
кими пусками, рекомендуется применять синхронные двигате-
ли. Они отличаются постоянством скорости вращения вала, бо-
лее высоким к.п.д. и допускают регулирование коэффициента
мощности за счет компенсации реактивной мощности. При не-
обходимости плавного и в широких пределах регулирования
155
скорости, а также при большой частоте включений применяют-
ся двигатели постоянного тока.
7.1. Выбор мощности электродвигателя
для длительной переменной нагрузки
Наряду с производственными механизмами, работающими
длительно при постоянном значении мощности, в практике элек-
тропривода встречается значительное количество исполнитель-
ных механизмов, у которых в процессе длительной работы на-
грузка на валу, являясь функцией времени, меняется в довольно
широких пределах. Такой характер нагрузки на валу определя-
ется характером работы, выполняемой исполнительным меха-
низмом в ходе соответствующего технического процесса. Если-
При длительной неизменной нагрузке методика выбора двига-
теля оказывается достаточно простой и сводится к выбору мощ-
ности по каталогу, то при длительной переменной нагрузке за-
дача выбора мощности электродвигателя существенно ослож-
няется, поскольку с изменением нагрузки производственного
механизма меняется и момент на валу электродвигателя. Подоб-
ный характер нагрузки будет приводить к изменению величины
тока, потребляемого двигателем из сети и, следовательно, к из-
менению тепловых потерь в нем, что в свою очередь приведет к
изменению его нагрева во времени.
При работе электродвигателя с переменной нагрузкой в дли-
тельном режиме работы нагрузка во времени в общем случае
может меняться по произвольному закону. Изменение нагрузки
на валу характеризует изменение момента, мощности или тока,
потребляемого электродвигателем из сети. Характер нагрузоч-
ной диаграммы при длительной переменной нагрузке в качестве
примера показан на рис. 7.1.
Для расчета мощности двигателя применяют методы эквива-
лентного тока, эквивалентного момента и эквивалентной мощ-
ности.
Выбор электродвигателя по методу эквивалентного тока при
переменной нагрузке основан на замене действительного изме-
156
няющегося во времени по величине значения тока, потребляе-
мого двигателем, эквивалентным током, при котором потри в
нагрузке соответствуют средним потерям в нем при переменном
режиме работы. Метод эквивалентного тока дает возможность
выбрать электродвигатель при наличии графика изменения тока
во времени. При выборе мощности электродвигателя по методу
среднеквадратичного (эквивалентного) тока необходимо учиты-
вать условия его охлаждения в процессе работы. При пуске и
торможении изменяются условия охлаждения электродвигате-
ля и постоянная времени нагрева будет иметь меньшее значе-
ние, чем при номинальном режиме.
Рис. 7.1. Нагрузочная диаграмма электродвигателя при длительной
переменной нагрузке
Эквивалентное значение тока при заданном режиме нагруз-
ки рассчитывается по формуле
K\ + *T ) +	+ r2 + ••• + К210
157
где Гр t2, t3, ... — промежутки времени, соответствующие неиз-
менной нагрузке (см. рис. 7.1);
7,, 12, 13, ... — значения токов, потребляемых электродвигате-
лем в соответствующие промежутки времени;
/1Т — средние значения тока, потребляемого соответствен-
но при пуске и торможении;
tn, tr tn — соответственно, время пуска, время торможения и
время паузы;
— коэффициент, учитывающий уменьшение теплоотдачи
электродвигателя при пуске и торможении;
К2 — коэффициент, учитывающий ухудшение условий охлаж-
дения за время паузы.
Для периодов пуска и торможения значение коэффициента
Kf принимается равным 0,75 для электродвигателей постоянно-
го тока и 0,5 для асинхронных электродвигателей, а для перио-
да остановки (паузы) К2 принимается равным соответственно
0,5 и 0,25.
При расчете эквивалентного тока ухудшение условий охлаж-
дения электродвигателя при торможении и при пуске можно и
не учитывать, если время работы двигателя превышает более
чем в 50-60 раз суммарное время пуска и торможения. В этом
случае эквивалентное значение тока определяется по формуле
Л =, ?i +	+ Л?з +---),
N 1ч
где ?ч=/|+?2+г3+... — время цикла работы электродвигателя.
После определения значения эквивалентного тока произво-
дится выбор электродвигателя по этому току. Для этого по ка-
талогу подбирается электродвигатель с номинальным значени-
ем тока, равным эквивалентному току I > I.
Выбранный таким образом электродвигатель удовлетворяет
условиям допустимого нагрева. Однако электродвигатель дол-
жен быть проверен и по допустимой нагрузке по току. При этом
каталожные данные электродвигателя должны удовлетворять
следующему условию
158
> Anax
I пот
где А — допустимый коэффициент перегрузки электродвигате-
ля по току (определяется по каталогу);
Ап«х — наибольшее значение тока (находится из графика на-
грузки электродвигателя).
В том случае, если выбранный по условиям нагрева электро-
двигатель не удовлетворяет вышеуказанному условию, необхо-
димо выбрать по каталогу электродвигатель большей мощнос-
ти, с тем чтобы при этом он проходил и по условиям перегру-
зочной способности, поскольку каждый электродвигатель име-
ет ограниченную перегрузочную способность. Проверка асинх-
ронных и синхронных электродвигателей на перегрузку по мо-
менту проводится исходя из условия
К, Л М >М
доп max пот max ст7
где Кдоп — коэффициент допустимой перегрузки (принимается
равным 0,8-0,85);
1 Мтлг
л > —------кратность максимального момента электродви-
Мпот
гателя (находится по каталогу);
Л/лош — номинальный момент электродвигателя;
Л/тах ст — максимальный момент нагрузки (находится по на-
грузочной диаграмме).
Асинхронный электродвигатель проверяется также по дос-
таточности развиваемого им пускового момента. Эта проверка
может быть проведена исходя из условия
Л М >КПМп
пуск пот П С
О	Мпуск
где л	> —— — кратность пускового момента электродвига-
М
пот
теля (находится по каталогу);
Мс — момент сопротивления на валу двигателя при пуске;
159
Кп — коэффициент запаса пускового момента, принимается
равным 1,2-1,3.
Рассматриваемый метод не применим во всех случаях, когда
необходимо учитывать изменение потери в стали и потерь на
трение в процессе работы, а также при значительном колебании
напряжения и скорости вращения двигателя. Методом эквива-
лентного тока не следует пользоваться также при наличии зна-
чительного изменения активного сопротивления обмоток в про-
цессе работы электродвигателя (асинхронные электродвигате-
ли с глубоким пазом и с двойной клеткой в пусковых и тормоз-
ных режимах). В перечисленных случаях следует применять ме-
тоды, основанные на непосредственном определении потерь в
электродвигателе. При решении задач по выводу мощности элек-
тродвигателя на практике чаще приходится оперировать с на-
грузочными моментами. В этом случае при выборе мощности
электродвигателя удобно использовать метод эквивалентного
момента. Метод эквивалентного момента вытекает непосред-
ственно из метода эквивалентного тока, поэтому эквивалентный
момент на валу электродвигателя может быть найден по форму-
ле, аналогичной формуле для эквивалентного тока:
JM„t + M?t. +Mh7 + ... + MhT
11 n__1 1___Z Z_______1 1
K, (t 4- tT )+ Л 4-Л 4-...4-
где M, Mr Mv ... — текущие значения момента нагрузки на
валу электродвигателя;
tn, tr tv tv ... — промежутки времени, соответствующие мо-
ментам Мп, Мг М}, М, и т. д.
При отсутствии необходимости учитывать влияние торможе-
ния, разгона и останова на нагрев электродвигателя эквивален-
тный момент находится по формуле
ду _	*1 + ^2^2 + ^3 h
V Z| +	• • •
По расчетному значению эквивалентного момента по каталогу
выбирается необходимый электродвигатель, исходя из условия
160
М п
Pnom > —? П(>т кВт,
9550
где ппот — значение номинальной скорости вращения электро-
двигателя.
При этом, как и в случае выбора электродвигателя по методу
эквивалентного тока, выбранный таким образом электродвига-
тель проверяется по допустимой перегрузке. Метод эквивалент-
ного момента не рекомендуется применять для тех же случаев,
что и метод эквивалентного тока. Этот метод неприменим для
двигателей постоянного тока последовательного возбуждения,
асинхронных короткозамкнутых двигателей при работе в тор-
мозных и пусковых режимах, а также в других случаях, когда
магнитный поток электродвигателя в процессе работы не оста-
ется постоянным, так как при этом между током и моментом
электродвигателя пропорциональность нарушается.
Во многих случаях более удобным при выборе мощности элек-
тродвигателя оказывается метод эквивалентной мощности, ко-
торый предполагает постоянство значения к.п.д., а для двигате-
лей переменного тока и коэффициента мощности в процессе ра-
боты. Этот метод особенно удобен при выборе мощности элек-
тродвигателя при наличии нагрузочной диаграммы исполни-
тельного механизма по мощности.
В этом случае эквивалентная мощность электродвигателя оп-
ределяется по формуле
Р — I +	*2 * ^2 *2 + •••+ Р^Т
\	+G-) + fl +?2+-+^2f0
или без учета влияния пуска, торможения и работы без нагруз-
ки по формуле
р _ 1^1 + ^2 ^2 ^3 ^3
э V г,+г2+г3+...
По значению эквивалентной мощности выбирается электро-
двигатель для заданных условий работы в соответствии с усло-
вием Р >Р.
пот э
6. Электротехника и электроника
161
Затем электродвигатель проверяется по перегрузочной спо-
собности и по кратности пускового момента.
Если электродвигатель не удовлетворяет условиям пуска или
перегрузки, то мощность его во всех случаях должна быть соот-
ветственно повышена.
7.2.	Выбор мощности электродвигателя
для кратковременного режима работы
Отдельные исполнительные механизмы по условиям техно-
логического процесса работают относительно короткие проме-
жутки времени, которые следуют после длительных пауз, изме-
ряемых часами, а иногда и десятками часов. Упрощенный гра-
фик нагрузки электродвигателя при кратковременном режиме
работы представлен на рис. 7.2. На этом рисунке показан трех-
ступенчатый график кратковременной нагрузки. В каждом кон-
кретном случае график нагрузки может иметь одну или несколь-
ко ступеней. При этом принимается, что в пределах каждой сту-
пени нагрузка электродвигателя постоянна или приблизитель-
но постоянна.
Рис. 7.2. Нагрузочная диаграмма электродвигателя
при кратковременном режиме работы
О
162
Если для данного режима нагрузки выбрать электродвига-
тель, исходя из длительного режима работы, то такой двигатель
за время работы не успеет нагреться до максимального значе-
ния температуры, допустимой для изоляции данного класса, и
поэтому двигатель не будет полностью использован по нагреву.
В то же время в течение последующей паузы, которая достаточ-
но велика, двигатель всякий раз успевает охладиться до темпе-
ратуры окружающей среды, и начинает работать всегда с хо-
лодного состояния. Таким образом, при кратковременном ре-
жиме работы электродвигатель может быть нагружен в боль-
шей степени, чем в длительном режиме.
Промышленность выпускает электродвигатели, специально
спроектированные для кратковременного режима работы. В
этом случае мощность электродвигателя маркирована специаль-
но для кратковременного режима на стандартную продолжи-
тельность работы, равную 15,30 и 60 мин. Выбор мощности элек-
тродвигателя в этом случае, как правило, не вызывает затрудне-
ний. Для этого по заданному значению мощности при кратков-
ременном режиме и времени работы в этом режиме выбирается
требуемый электродвигатель. При этом мощность электродви-
гателя для заданного времени работы должна быть равна или
несколько больше заданного значения мощности.
Если нагрузочная диаграмма электродвигателя при кратков-
ременном режиме работы имеет ступенчатый характер (рис. 7.3),
то выбор мощности электродвигателя может быть определен по
методу эквивалентной мощности, эквивалентного тока или эк-
вивалентного момента по приведенной выше методике. Для это-
го в соответствии с характером кратковременной нагрузки, оп-
ределяемой нагрузочной диаграммой, находится значение экви-
валентной мощности (момента или тока).
Зная номинальную скорость вращения, значение эквивален-
тной мощности и длительность работы'электродвигателя z под-
бирается затем по каталогу двигатель, рассчитанный на время,
равное или, при отсутствии в каталоге такого времени, на бли-
жайшее большее значение времени работы двигателя под нагруз-
кой: t = t, + L + t. + ...
ц 1	2	3
163
Рис. 7.3. Нагрузочная диаграмма электродвигателя
при кратковременном ступенчатом режиме
работы
О
При этом значения эквивалентного тока, эквивалентного мо-
мента или эквивалентной мощности должны быть меньше или
равны соответствующим номинальным значениям тока, момен-
та или мощности, т.е. для двигателя должно удовлетворяться
соответственно одно из следующих условий:
Р <Р \М <М ;/</ .
э	пот ’ э пот ’ э пот
Следует заметить, что использование для работы в кратков-
ременном режиме электродвигателей номинальный серий, пред-
назначенных для длительного режима нагрузки, как правило,
нежелательно. Для этой цели должны быть использованы серии
электродвигателей, предназначенных специально для кратко-
временного режима работы.
7.3.	Выбор мощности электродвигателя
для повторно-кратковременного режима работы
Во многих случаях приходится выбирать электродвигатель
для повторно-кратковременного режима работы. Примером
нагрузочной диаграммы повторно-кратковременного режима
164
работы электродвигателя может служить диаграмма, представ-
ленная на рис. 7.4. Как видно из диаграммы, для повторно-крат-
ковременного режима работы характерно периодическое чере-
дование относительно небольших периодов работы и пауз. При
этом ясно, что за время одного периода работы электродвига-
тель не нагреется до установившегося своего значения, а за вре-
мя одной паузы не успеет охладйться до температуры, равной
температуре окружающей среды.
I ь
। Начало нового
I цикла
t
Рис. 7.4. Нагрузочная диаграмма электродвигателя
при повторно-кратковременном ступенчатом режиме работы
При повторно-кратковременном режиме работы в принципе
может быть использован электродвигатель любого исполнения.
Однако для более полного использования электродвигателя про-
мышленность выпускает двигатели, специально предназначен-
ные для повторно-кратковременного режима работы.
165
Одним из основных параметров таких электродвигателей яв-
ляется относительная продолжительность включения:
Z75% = —-100%,
где t — время работы двигателя под нагрузкой;
= t + — время цикла, равное суммарному времени рабо-
ты и паузы электродвигателя.
Следует заметить, что время цикла в повторно-кратковремен-
ном режиме не должно превышать 10 мин. Если время цикла
оказывается больше 10 мин, то в этом случае электродвигатель
необходимо выбирать как для длительного режима работы.
Для двигателей, предназначенных для повторно-кратковре-
менного режима работы, в каталогах дается несколько значе-
ний ПВ%: 15, 25, 40, 60 и 100% и соответствующие этим ПВ но-
минальные значения мощности электродвигателя. При работе
электродвигателя при данном ПВпот и соответствующем ему зна-
чении номинальной мощности обеспечивается полное исполь-
зование электродвигателя по нагреву. ПВ = 100% соответствует
работе электродвигателя в длительном режиме.
Выбор мощности электродвигателя прц повторно-кратков-
ременном режиме работы в соответствии с заданным графиком
нагрузки может быть произведен по методу эквивалентного-тока,
эквивалентного момента или эквивалентной мощности. При
расчете по этим формулам время паузы не включается, так как
оно уже учитывается величиной продолжительности включения.
При этом если фактическая относительная продолжительность
включения ПВ% оказывается равной или близкой к одному из
ряда номинальных значений ПВ %, выбор мощности электро-
двигателя по эквивалентному току, эквивалентному моменту или
эквивалентной мощности не представляет затруднений. Для
выбранного электродвигателя должны удовлетворяться условия:
Р <Р -М <М ;1 <1
так как по каталогу при заданном значении ПВ% = ПВпот% дол-
жен быть выбран двигатель с номинальной мощностью, кото-
166
рая соответствует его нагрузке. Во многих практических случа-
ях фактическая продолжительность включения ПВ% отличает-
ся от номинальной продолжительности включения ПВпот%. В
этих условиях выбор электродвигателя несколько усложняется,
так как при ПВпот%>ПВ%, т.е. при номинальной продолжитель-
ности включения, большей фактического его значения, выбран-
ный по значению эквивалентных тока, мощности или момента
электродвигатель окажется недоиспользованным по нагреву, а
при ПВпот%<ПВ%, выбранный таким образом двигатель ока-
жется перегруженным.
Если фактическая продолжительность включения ПВ% от-
личается от номинального значения ПВпот%, то фактический эк-
вивалентный ток 1э, эквивалентный момент Мили эквивалент-
ная мощность Рз с достаточной для практики точностью могут
быть пересчитаны на ближайшую (большую или меньшую) но-
минальную продолжительность включения ПВ% соответствен-
но по формулам:
где 1э, Р, Мэ — соответственно эквивалентный ток, эквивалент-
ная мощность и эквивалентный момент, пересчитанные на бли-
жайшее ПВ%, предлагаемое каталогом.
Далее по эквивалентному току, Эквивалентной мощности или
эквивалентному моменту методом, изложенным выше, опреде-
ляется требуемая мощность электродвигателя. Представленная
здесь методика выбора электродвигателя по нагреву для повтор-
но-кратковременного режима используется для случая приме-
нения Электродвигателей, мощность которых маркирована по
повторно-кратковременному режиму.
Пример. Определить необходимую мощность двигателя для
привода механизма, режим работы которого задан нагрузочной
диаграммой на рис. 7.5.
167
12
Р,= 12 кВт
Р2 = 8 кВт
Р3=6 кВт
।	I
t = 30 с |t3= 15 с|
--------------4----------
10	20	30	40	50	60	70
t, С
Рис. 7.5. Нагрузочная диаграмма
По технологическим условиям следует использовать трехфаз-
ный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Дви-
гатель должен иметь частоту вращения п2 = 960 мин ’. Помеще-
ние, где будет установлен двигатель — сухое, без пыли и грязи.
Решение. В нашем случае режим работы представляет собой
длительную переменную нагрузку. Мощность двигателя выби-
рается при подобных режимах работы по эквивалентной мощ-
ности, которая равна
где г— время цикла работы;
t — t. + L + L — 20 + 30 + 15 — 65 с;
ц 1	2	3	’
р	122-20 + 82-30 + 62-15 .... _
г, = J------------------= 9,05 кВт.
3 N 65
По данным каталога в качестве приводного двигателя может
быть использован асинхронный короткозамкнутый двигатель в
168
защищенном исполнении типа АЧ-61-6 со следующими харак-
теристиками: 380/220 В; Р =10 кВт; п = 965 мин Т) =
= 0,87; Мпт1Мтт = 1,2;	=1,8.
В ряде случаев момент нагрузки на отдельных участках мо-
жет оказаться больше максимально допустимого момента дви-
гателя, и асинхронный двигатель может остановиться. Поэтому
после выбора двигателя его необходимо проверить по перегру-
зочной способности.
В данном примере:
номинальный момент двигателя
= 222112 =99н.„;
ПОП1	С\£. с. '
п,ют	965
максимальный (критический) момент
/И1гах=1,8-/Ипот=1,8-99 = 178Нм;
максимальный момент нагрузки (по диаграмме)
„	9550 12 ,,ЛТТ
Мтыст ~ ------- = 1 19 Н • М.
960
По перегрузочной способности двигатель подходит, так как
выполняется условие М > М , 178 > 119.
J	max	max cm.7
7.4.	Типовые схемы управления
электродвигателями
Управление электродвигателями и другими приемниками осу-
ществляется различными устройствами и аппаратами, которые
производят пуск двигателя, остановку, защиту от коротких за-
мыканий и перегрузок, другие операции.
На рис. 7.6 показана схема управления трехфазным асинхрон-
ным двигателем с короткозамкнутым ротором. Управление дви-
гателем осуществляется магнитным пускателем и кнопочной
станцией. Магнитные пускатели имеют две цепи — силовую и
цепь управления. К силовой цепи относятся линейные контак-
ты К и нагревательные элементы тепловых реле 1РТ и 2РТ. К
169
цепи управления — контакты тепловых реле 1РТ и 2РТ и блоки-
рующий контакт (блок-контакт) К. Кнопочная станция состоит
из двух кнопок — «Пуск» и «Стоп».
При нажатии кнопки «Пуск» ток проходит через контакты
кнопок «Пуск» и «Стоп», катушку магнитного пускателя К и
контакты тепловых реле 1РТ и 2РТ.
Рис. 7.6. Схема нереверсивного управления трехфазным
асинхронным двигателем
170
Катушка пускателя втягивает якорь, и главные линейные кон-
такты К замыкаются, на двигатель подается напряжение, одно-
временно замыкается блок-контакт К, шунтирующий кнопку
«Пуск».
Остановка двигателя происходит при нажатии кнопки
«Стоп», цепь управления размыкается, и главные линейные кон-
такты отключают двигатель от сети.
Тепловые реле 1РТ и 2РТ осуществляют защиту двигателя от
перегрузок и короткого замыкания. При превышении номиналь-
ного тока тепловые реле размыкают контакты в цепи управле-
ния 1РТ и 2РТ, и двигатель останавливается.
Катушка магнитного пускателя К рассчитана для работы при
напряжении (0,85-1,0) Unom. Если напряжение ниже (0,5-0,6) U ,
а также при резком падении или отключении напряжения якорь
пускателя отпадает и главные линейные контакты отключают
двигатель от сети.
Для реверсирования двигателя применяются реверсивные
магнитные пускатели, в которых имеются два контактора —
один для пуска двигателя «Вперед», другой — «Назад». Кно-
почная станция имеет три кнопки — «Вперед», «Назад» и «Стоп»
(рис. 7.7). Контакторы пускателя имеют электрическую блоки-
ровку для исключения одновременного включения двух контак-
торов. Блокировка осуществляется нормально замкнутыми кон-
тактами кнопок «Вперед» и «Назад». Назначение тепловых реле
1РТ и 2РТ, их контактов, блок-контактов Н и В то же, что и у
нереверсивного пускателя.
При нажатии кнопки «Вперед» ток от одной фазы проходит
через контакты кнопки «Стоп», замкнутый контакт кнопки «На-
зад», катушку контактора В, контакты тепловых реле и на дру-
гую фазу. Линейные контакты В замыкаются, подключая дви-
гатель к сети. Одновременно замыкается контакт В, шунтирую-
щий нормально разомкнутый контакт кнопки «Вперед».
При нажатии кнопки «Назад» происходит реверсирование
двигателя путем переключения двух крайних фаз. Для останов-
ки двигателя нажимается кнопка «Стоп», цепь управления обес-
171
Рис. 7.7. Схема реверсивного управления трехфазным асинхронным
двигателем
172
точивается, двигатель останавливается, и схема приводится в ис-
ходное состояние.
Выше были рассмотрены относительно простые схемы управ-
ления асинхронными двигателями. На практике применяются и
более сложные схемы, позволяющие управлять процессом пус-
ка, торможения, регулирования и стабилизации скорости дви-
гателей постоянного и переменного тока.
173
8. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕТИ
8.1.	Классификация электрических сетей
Электрические сети служат для передачи электрической энер-
гии от места ее производства к месту потребления. Различают
сети высокого напряжения свыше 1000 В и сети низкого напря-
жения до 1000 В, аналогичным образом различают и все элект-
роустройства в этих сетях.
Для передачи электроэнергии применяют воздушные и ка-
бельные линии. Воздушные линии выполняются голыми прово-
дами (без изоляции), открыто проложенными на опорах по изо-
ляторам. Согласно стандарту напряжение этих линий составля-
ет 750, 500, 330, 220, 150, 110, 35, 20, 10 и 6 кВ.
Кабельные линии, прокладываемые в земле и под водой, при-
меняют в основном при напряжении 6 и 10 кВ.
Кабелем называют один или несколько изолированных про-
водников, заключенных в герметическую оболочку из свинца,
алюминия, полиэтилена. Для защиты оболочек кабеля от меха-
нических повреждений на них накладывают защитные покровы
из стальных лент или проволок, называемых броней.
По назначению отдельные участки электрических сетей мож-
но разделить на линии внешнего и внутреннего электроснабже-
ния.
Линии внешнего электроснабжения передают энергию высо-
кого напряжения на далекие расстояния от электростанции или
подстанции энергосистемы к трансформаторной подстанции
предприятия. Для передачи энергии на большие расстояния це-
лесообразно использовать воздушные линии, так как они тре-
буют значительно меньших капитальных затрат на их оборудо-
вание, позволяют легко обнаруживать места повреждений и про-
водить ремонтные работы. Основным недостатком воздушных
линий является подверженность опор, проводов и изоляторов
различным повреждениям вследствие атмосферных явлений (го-
лоледа, бурь, ударов молний) и других причин.
174
Кабельные линии для передачи энергии высокого напряже-
ния используют в тех случаях, когда линия проходит по густо
заселенной, застроенной местности или когда требуется особая
надежность в эксплуатации. Необходимо учитывать, что кабель-
ные линии дороже воздушных, при напряжении 6-35 кВ — в 2-3
раза, при напряжении 110 кВ — в 5-8 раз. Кабели напряжением
35 кВ бывают также газонаполненными с избыточным давлени-
ем инертного газа (обычно малоактивного азота). Кабели на
напряжение ПО кВ выполняют маслонаполненными или газо-
наполненными.
Практически выбор того или иного способа распределения
электрической энергии обусловливается главным образом вели-
чиной передаваемой мощности, величиной напряжения, протя-
женностью линии, характером местности, по которой проходит
линия, необходимостью особой надежности и безопасности при
ее эксплуатации.
Линии внутреннего электроснабжения служат для передачи
электроэнергии от станции или подстанции предприятия к элек-
троприемникам и для соединения подстанций предприятия.
Связь между отдельными подстанциями предприятия и цеховы-
ми трансформаторными подстанциями осуществляется кабель-
ными линиями обычно при напряжении 6 кВ, проложенными в
земле.
К линиям внутреннего электроснабжения относятся также все
низковольтные линии напряжением до 500 В:
-	линии, передающие энергию от распределительных щитов
или подстанций к цеховым распределительным пунктам
(РП);
-	распределительные линии от РП к электроприемникам
цехов;
-	наружные проводки для питания различных временных и
осветительных установок, расположенных на территории
предприятия.
Распределительная сеть (внутренняя проводка) проходит
внутри зданий и выполняется изолированным проводом. В осо-
бых случаях внутри зданий применяют кабели или провода,
175
заключенные в газовые трубы. Так прокладываются провода в
пожаро- и взрывоопасных цехах, например, в производственных
помещениях элеваторов, мельниц, крупяных и комбикормовых
заводов, во многих цехах химических, целлюлозно-бумажных
заводов и текстильных фабрик. Силовая распределительная сеть,
идущая от РП к отдельным двигателям трехфазного переменно-
го тока, в основном к асинхронным, является трехпроводной
трехфазной линией с линейным напряжением 380 В.
Групповая осветительная распределительная сеть может быть
выполнена двухпроводной (фаза и нулевой провод), трехпро-
водной (две фазы и нулевой провод) и четырехпроводной (три
фазы и нулевой провод). При напряжении распределительной
сети 220 В и протяженности ее до 100 м (не считая ответвлений к
лампам) экономически более целесообразно применение двух-
проводных линий с нагрузкой на каждую группу не свыше 10-
15 А при обслуживании ею до 20 светильников. При более длин-
ных распределительных сетях применяют трех- и четырехпро-
водную линию с нагрузкой до 10-15 А на фазу.
Определив по светотехническому расчету количество ламп и
зная допускаемую нагрузку на одну фазу (10-15 А), определяют
число групп и количество необходимых распределительных
щитков. При распределении ламп по группам должна обеспечи-
ваться равномерная нагрузка всех фаз трехфазной системы.
8.2.	Требования, предъявляемые к электрическим
сетям, и выбор сечения проводов
Любая электрическая сеть должна быть рассчитана так, что-
бы обеспечивались следующие условия:
-	нагрев током проводов и кабелей не должен достигать зна-
чений, опасных для целости их изоляции;
-	потери напряжения и мощности в сети не должны превы-
шать пределов, при которых нарушается нормальная ра-
бота потребителей и эксплуатация становится экономичес-
ки невыгодной;
176
-	провода сети должны обладать механической прочностью
(для воздушных линий электропередач);
-	должна обеспечиваться безопасность для обслуживающе-
го персонала.
В практических расчетах при выборе проводов, исходя из ус-
ловий нагрева, пользуются готовыми таблицами допустимых
токовых нагрузок, составленными на основании теоретических
расчетов и результатов испытаний проводов на нагревание (см.
прил. 3).
Величина напряжения на зажимах электроприемника опре-
деляет качество его работы. Для наилучшей работы электропри-
емника напряжение на его зажимах должно быть номинальным.
Однако наличие электрической сети, связывающей источник
электрической энергии с электроприемником, приводит к умень-
шению напряжения на потребителях. Эти отклонения от номи-
нального напряжения не должны превышать определенных ве-
личин, установленных правилами устройства электрических ус-
тановок. Так, например, отклонение (уменьшение) напряжения
в осветительной сети у наиболее отдаленной лампы не должно
превышать 2,5% Unom, для силовой сети, питающей электроэнер-
гией двигатели, эта величина составляет 5% Unam.
Для того чтобы представить, какое значение имеет колеба-
ние напряжения на зажимах электроприемника, следует помнить,
что снижение светового потока у лампы накаливания пропор-
ционально квадрату снижения напряжения, для двигателя по-
стоянного тока момент на валу пропорционален напряжению,
для трехфазного асинхронного двигателя М = U2.
Из вышеизложенного следует, что расчет сети на потерю на-
пряжения сводится к определению потери напряжения в линии,
сечение проводов которой выбирается по условиям нагрева, и
сравнению полученной величины с величиной напряжения, до-
пускаемой нормами.
Под потерей напряжения в электрической линии постоянно-
го тока понимают разность между напряжением U в начале и
напряжением U . в конце линии (рис. 8.1). Длина линии — I,
нагрузка на конце линии — Р.
Ml
Потеря напряжения в линии определяется выражением:
MJ=U-U .
нагр
Рис. 8.1. Схема электрической линии постоянного тока
Ток в линии
U
Сопротивление каждого провода линии
где j — удельная проводимость материала линии;
S — сечение проводника линии.
Потеря напряжения в линии
АСУ = 2IR, =
211
jS '
Полученная формула позволяет определить потерю напря-
жения в линии, выраженную в вольтах, что неудобно при прак-
тических расчетах, поскольку потеря напряжения нормируется
в процентах. Учитывая это, можно получить следующую рас-
четную формулу:
MJ 1ППЛ, 200//
MJ % =------100% =--------
U	jSU
пот	J пот
где Unom — номинальное напряжение потребителя электричес-
кой энергии.
178
Если нагрузка на конце линии задана в виде мощности, удоб-
но пользоваться следующей формулой:
К1ГП	200Р1
&U% =------
jSU1
J пот
Для облегчения усвоения материала рассмотрим пример рас-
чета электрической линии постоянного тока по условиям нагрева
и по потере напряжения.
Пример. Рассчитать электрическую линию постоянного тока,
питающую осветительную нагрузку, сосредоточенную на ее кон-
це, мощностью Р = 35 кВт и номинальным напряжением Unom =
110 5. Протяженность линии 50 м. Проводка прокладывается в
стальных трубах двумя одножильными алюминиевыми прово-
дами в полихлорвиниловой изоляции.
Решение 1. Расчет по условию нагрева.
Определим расчетный ток линии:
,=^._^оо=31>8Л
ч,.. ио
По прил. 3 выбираем сечение проводов таким образом, что-
бы допустимый ток на выбранное сечение был больше или ра-
вен расчетному. Такому условию удовлетворяет сечение алю-
миниевых проводов S = 6 мм2, для которых допустимый ток 1доп
= 36 А, т.е. условие 1дт > 1 соблюдено.
Решение 2. Расчет по потере напряжения.
Поскольку нагрузка линии осветительная, то допустимая
потеря напряжения составляет 2,5%. Проверим действительную
потерю напряжения в линии при выбранном сечении проводов:
Аггл? 2005/ 200-350-50
MJ % =----— =--------- = 14,2%,
34-6-НО2
где для алюминия
• „ л	м
J = 3A-----г-
Ом  мм
179
Как видно, полученная величина намного превышает допус-
тимую, следовательно, сечение проводов необходимо увеличить.
Для определения необходимого сечения преобразуем расчетную
формулу &.и% относительно S и, подставив числовые значения,
найдем нужное сечение:
о 20077	200x3500x50	,
S --------—  ------------— = 34 ж'.
jMJ%U2om 34x2,5x110
Ближайшее стандартное сечение провода 35 мм2, его прини-
маем к прокладке в данном случае.
Расчет сетей переменного тока как по условию нагрева, так и
по условиям потери напряжения принципиально не отличается
от расчета сетей постоянного тока, однако расчетная формула
потерь напряжения в сети переменного тока должна учитывать
не только активное сопротивление линии, но также и реактив-
ное сопротивление.
На рис. 8.2 изображена однофазная линия переменного тока,
где R и X — активное и индуктивное сопротивление линии, Z
— сопротивление нагрузки, cos/ — коэффициент мощности
нагрузки, / — длина линии, км.
Рис. 8.2. Схема однофазной линии переменного тока
Предположим, что величина {7 , / и cos/kj известны. По-
строим векторную диаграмму для этой цепи. Строить вектор-
ную диаграмму начнем с вектора напряжения в конце линии итгр.
(рис. 8.3). Выбрав масштаб напряжений, откладываем величину
напряжения U (отрезок оа) вертикально вверх. Под заданным
180
Рис. 8.3. Векторная диаграмма
однофазной линии переменного
тока
угломf в сторону отставания
от вектора напряжения U т!р.
строим вектор тока нагрузки /
(активно-индуктивная нагруз-
ка). Векто£ напряжения в нача-
ле линии U должен отличаться
от вектора напряжения Uна
величину падения напряжения
на активном R и индуктивном X
сопротивлениях линии.
Вектор RI совпадает по фазе
с вектором тока I. Вектор па-
дения напряжения на индуктив-
ном сопротивлении линии XI
опережает вектор I на 90°. Со-
единив точки а и d, получим век-
тор падения напряжения Д[/ , а
вектор od — вектор напряжения
в начале линии U .
Под падением напряжения в
линии переменного тока пони-
мают геометрическую разность
векторов напряжений в начале и
конце линии.
Под потерей напряжения по-
нимают алгебраическую раз-
ность векторов напряжения в
начале и в конце линии. Алгеб-
раическая разность векторов U
и Uh^. может быть представле-
на отрезком ае. Точка е получа-
ется на пересечении прямой,
продолжающей вектор U^., и
дуги окружности (^центром в
точке о радиусом U . Для про-
стоты расчетных формул за по-
181
терю напряжения в линии переменного тока окончательно при-
нимают проекцию вектора падения напряжения Д[/ на продол-
жение вектора U Ha?P , т.е. отрезок of.
Производя дополнительные построения на векторной диаг-
рамме и вводя точки с и 7, видим, что величина потери напря-
жения может быть представлена в виде
= af = aq + qf = At/„ costp,,^ + At/, sin (р,шгр
Учитывая, что XUa - Rl, a At/, = XI, получим
XU = RIcos(p^p + XI sin (риагр .
Если угол сдвига по фазе между напряжением и током на-
грузки обозначить через ф и ввести понятия удельных сопротив-
лений линий rQ и х0, т.е. R = lrQ и X - /х0, то расчетная формула
для потери напряжения примет вид
At/ =/Z(r0 costp + х0 sintp),
или в процентах
а для трехфазной цепи
л/3100//	. ч
XU % =---------(r0 cos<p + х0 sin <р).
Пример. Рассчитать кабельную линию трехфазного перемен-
ного тока напряжением 380/220 В, предназначенную для пита-
ния силового распределительного щита. Расчетная нагрузка
щита 78 кВт при cos(p = 0,75, протяженность линии 110 м.
Решение.
1.	Определяем расчетный ток нагрузки:
yj3Ucos(p л/3 0,38 0,75
182
2.	По таблице допустимых токовых нагрузок на кабели с мед-
ными жилами, прокладываемые в земле (прил. 3) в столбце «че-
тырехжильные кабели до 1 кВ» выбираем медный кабель сече-
нием 35 мм2. Длительно допустимый ток для выбираемого кабе-
ля 1доп = 175 А. Так как 1доп > I, то, по условию нагрева, кабель
проходит.
3.	Проверяем выбранный кабель на потерю напряжения:
дл,го >/31007/,	. ч
Д U % =------(r0 cos (р + х0 sin (р) =
Uпот
= ^З -100'157 0’11 (о 514.о,75• 0,35• 0,655) = 2,54%,
380
где г0 = 0,514 OmIkm — активное сопротивление медных прово-
дов при температуре 20°С (прил. 4);
х0 = 0,35 OmIkm — для всех сечений кабельных линий напря-
жением до 1 кВ.
Допустимая потеря напряжения в силовых низковольтных
сетях &Udon < 5%. В нашем случае Д7/ < Udon, следовательно, по
потере напряжения выбранное сечение кабеля проходит.
8.3. Защита проводов электрических линий от токов
короткого замыкания и перегрузок
Согласно правилам устройства электроустановок, электри-
ческие сети напряжением до 1000 В, сооружаемые как внутри,
так и вне зданий, должны иметь защиту от токов короткого за-
мыкания с минимальным временем отключения. Для защиты
сетей напряжением до 1000 В могут применяться предохраните-
ли с плавкими вставками и различного типа автоматические
выключатели. Ток плавкой вставки предохранителя, служаще-
го для защиты сети от токов короткого замыкания, следует вы-
бирать таким образом, чтобы соблюдалось соотношение
I доп.
183
где 1пвап — ток плавкой вставки;
1доп — допустимый ток для данного сечения провода.
Для тока установки автоматического выключателя, имеюще-
го регулируемую или нерегулируемую обратнозависимую от
тока характеристику, соотношение принимает вид:
^-<1,5
доп.
где I — ток установки автомата.
Для тока установки автоматического выключателя, Имеюще-
го только мгновенный максимальный расцепитель, соотноше-
ние принимает вид:
^<4,5.
Предохранителями и автоматами можно защищать также
энергетические сети от токов перегрузки. В соответствии с пра-
вилами устройства электроутановок осветительные сети и сети
бытовых и передвижных электроприемников в жилых и обще-
ственных зданиях, служебно-бытовых помещениях промышлен-
ных предприятий, а также в пожароопасных и взывоопасных
помещениях должны быть защищены от перегрузок.
Защиту от перегрузок должны иметь электрические сети про-
мышленных предприятий, сети силовых электроприемников жи-
лых, административных и т. п. зданий только в случаях, когда по
условиям технологического процесса или режиму работы сети
может возникать длительная перегрузка проводов и кабелей.
В сетях, которые защищаются от перегрузок, плавкие встав-
ки предохранителей или установки расцепителей автоматов вы-
бираются по расчетному току, а сечение провода или кабеля
выбирается таким образом, чтобв допускаемая длительная пе-
регрузка на этот провод или кабель составляла не менее 125%
максимального тока защитного аппарата.
Различают плавкие вставки двух типов: с малой теплоемко-
стью (быстродействующие), например, медные, и с большей теп-
лоемкостью (инертные), изготовляемые из металла с большим
184
удельным сопротивлением, например, из свинца и его сплавов.
Инертные предохранители могут применяться в тех случаях,
когда сети питают электроприемники, имеющие пусковые токи
или кратковременные перегрузки. В этом случае недлительные
по времени пусковые токи не могут перегреть провода сети, од-
нако, если плавкая вставка не имеет инерции, то под действием
пускового тока она сгорит и тем самым прервет цепь.
Выбор предохранителей с плавкими вставками производит-
ся следующим образом: для проводов с нагрузкой, при включе-
нии которой возникают значительные пусковые токи (включе-
ние асинхронных короткозамкнутых электродвигателей и т.д.),
ток плавкой вставки выбирается в соответствии с соотношением
j > Алах
1 п в<т
а
где 1тих — наибольшая величина тока в цепи. Под I подразу-
мевается:
а)	для ответвления к одиночным электроприемникам — пус-
ковой ток или наибольший ток нагрузки;
б)	для цепей, питающих п приемников
I - mYl, „ + / ,
так	р(п I) пуск7
где т — коэффициент одновременности;
_ р — сумма рабочих токов электроприемников за исклю-
чением электроприемника, обладающего максимальным пуско-
вым током;
I — максимальный пусковой ток электроприемника.
Коэффициент а для асинхронных электродвигателей с корот-
козамкнутым ротором обычно принимают равным а = 2,5. Для
асинхронных электродвигателей с тяжелыми условиями пуска
а= 1,6-2,0.
Порядок выбора плавких вставок для защиты проводов от
действия токов короткого замыкания и перегрузок следующий:
1. Для сетей, имеющих электроприемники без пусковых то-
ков.
185
Определяют расчетный ток I. По расчетному току подбира-
ют ближайшую стандартную плавкую вставку с обязательным
условием
/ erm > I.
Номинальные токи стандартных плавких вставок: 6, 10, 15,
20, 25, 35, 60, 80, 100, 125, 160, 200, 225, 260, 300, 325 и т.д.
В случае необходимости защиты провода от перегрузок по
расчетному току выбирают ток плавкой вставки, а сечение про-
вода выбирают по допустимому току, определенному из соот-
ношения
1доп > 1,25 1пест
2. Для сетей, питающих электроприемники с пусковыми то-
ками.
Определяют расчетный ток I. По расчетному току подбира-
ют ближайшую стандартную плавкую вставку с обязательным
условием
Ц.всп,. 1 
где I -	.
а
Проверяют, защищает ли выбранная плавкая вставка сече-
ние проводов от действия токов короткого замыкания. Провер-
ку производят по неравенству
1 доп.
где 1доп — допустимый ток для данного сечения проводов, опре-
деляемый по прил. 3.
В случае, если неравенство не соблюдено, нужно увеличить
сечение для необходимых результатов, при этом ток плавкой
вставки сохраняется прежним.
Защита от перегрузок осуществляется так же, как и для элек-
троприемников без пусковых токов.
Пример. От трансформаторной подстанции с номинальным
напряжением на низкой стороне 380/220 В проложена электри-
ческая сеть на строительную площадку (рис. 8.4). Электродви-
186
гатели, указанные на схеме — короткозамкнутые, асинхронные,
осветительная нагрузка — симметричная.
380/220В
Рис. 8.4. Расчетная схема электрической сети
Сеть предполагается выполнить:
1)	от шин ТП до щитка РЩ-1 четырехжильным кабелем с мед-
ными жилами, проложенными по стене;
2)	от щитка РЩ-1 до щитка РЩ-2 проводом в газовых трубах;
3)	все остальные сети — изолированным проводом.
Характеристики асинхронных короткозамкнутых
электродвигателей и их работы
Характеристики	Электродвигатели		
Мощность, кВт	7,0	14,0	10,0
Кратность пускового тока	5,5	5,0	5,5
Коэффициент полезного действия	0,82	0,85	0,87
Коэффициент мощности	0,9	0,88	0,92
Коэффициент загрузки	1,0	0,8	0,9
187
Нагрузка осветительной линии 1 составляет 20 кВт, линии 2
— 30 кВт. Требуется подобрать плавкие вставки предохраните-
лей и выбрать необходимые сечения проводов и кабелей. При
расчете необходимо учесть, что электродвигатель 1 может быть
перегружен.
Решение. Электродвигатель 1.
Номинальный ток двигателя
Р	7 0
г = Гпит----------=	--------= 14 4 л,
^U„omr]cos(p >/3-0,38 0,82 0,9
Определим ток плавкой вставки:

Принимаем стандартную плавкую вставку на ток 1п тп = 35 А.
Ввиду того, что электродвигатель 1 подвержен нагрузкам, про-
водка к нему должна быть защищена от токов перегрузки. Тог-
да 1доп > 1,25 I = 44 А. По прил. 3 выбираем сечение медного
провода 6 мм2.
Электродвигатель 2.
14
= 28,3 Л.
тт 7з-0,38-0,85-0,88
,	28,3-5 ....
I =—--------= 56,6 Л.
2,5
С учетом коээфициента загрузки
I =0,8/ =0,8-28,3 = 22,6 Л.
потр. 17 пот 7	7	7
Ближайшая стандартная плавкая вставка 1птп = 60 А.
По потребляемому току 1потр определяем сечение медных изо-
лированных проводов 5 = 2,5 мм2. Для S’ = 2,5 мм2,1доп =21 А.
Проверяем выбранное сечение на защиту от токов коротко-
го замыкания:
п.вст.
<3,0;
доп.
“<3
27
188
Электродвигатель 3.
у/З- 0,38 0,87 0,92
4,,. =0,9/_=0,919 = 17J;
тогда Iтп = 60 А.
Выбираем сечение S = 1,5 мм2,1доп = 20 А.
Проверяем на защиту от токов короткого замыкания:
“ = з,о.
20
Осветительная линия 1.
20
= 30 А.
V3 -0,38
Z тт = 35 A, S = 4 мм2,1д0п =36 А.
Проверка на защиту от токов короткого замыкания:
35 <3
36 <
Берем к прокладке сечения фазных проводов 4 мм2, а нейт-
рального — 2,5 мм2.
Осветительная линия 2.
30
= 45 А.
1пвст = 60 A, S = 6мм2,1доп = 46 А.
Проверка на защиту от токов короткого замыкания:
— <3
46 <
Берем к прокладке сечения фазных проводов 6 мм2, а нейт-
рального — 4 мм2.
189
Прокладка в газовых трубах между РЩ-1 и РЩ-2:
/=22,6+ 17 + 45 = 84,6 Л, 5 = 25 лш2,/>„„ = 90 Л.
/ = 28,3-5 + 17 + 45 = 204 Л;
/_>у^ = 81,5Л, /„_ =100 Л.
Проверим на действие токов короткого замыкания:
100 _
---- < о.
90
Принимаем к прокладке фазные провода с сечением 25 мм1, а
нулевой провод сечением 16 мм1.
Четырехжильный кабель от ТП до РЩ-1:
/ = 0,9(22,6 + 17 + 45 + 14,4 + 30) = 116 Л;
/тах = °’9<17 + 45 + 14>4 + 30) + 5 • 28,3 = 238 Л;
5 = 50 мм1, /)о„. = 130 Л, /_. > уу = 95 Л.
Выберем 1пюп = 125 Л из условия селективности.
Проверим на действие токов короткого замыкания:
125
130
Выбираем кабель марки СБ сечением (3 х 50-1 х 25) мм2.
8.4. Электрические источники света
Для электрического освещения применяют лампы накалива-
ния, люминесцентные лампы и ртутные лампы (ДРЛ).
Источники света характеризуются: номинальным напряже-
нием (В), на которое рассчитывается лампа; номинальной мощ-
ностью (Вт); величиной светового потока (лм); световой отда-
чей (лм1Вт), т.е. отношением излучаемого лампой светового
190
потока к потребляемой ею электрической мощности; средним
сроком службы лампы (ч); цветопередачей.
Лампы накаливания являются основным источником света
при устройстве электрического освещения. В лампах накалива-
ния световая энергия получается за счет нагревания тонкой воль-
фрамовой нити до температуры порядка 3300° С проходящим
через нее электрическим током.
В осветительных установках используются нормальные на-
полненные лампы мощностью от 15 до 1500 Вт, нормальные
вакуумные лампы мощностью от 15 до 1500 Вт при напряже-
нии 220 В и нормальные биспиральные лампы мощностью от 40
до 100 Вт при напряжении 220 В.
Небольшие размеры светящегося тела в лампах накаливания
позволяют рационально перераспределить их световой поток в
соответствии с профилем и размерами освещаемых помещений
или открытых пространств при помощи отражающих или пре-
ломляющих оптических систем. Такие лампы обеспечивают не-
прерывный спектр, отличающийся от спектра дневного света
преобладанием желтых и красных лучей, просты и надежны в
эксплуатации. Световой к.п.д. лампы не превышает 3-3,5%. Нор-
мами установлена средняя продолжительность горения нормаль-
ной лампы накаливания в 1000 ч. Средний световой поток ламп
в конце срока службы Должен быть не менее 75% номинального.
Лампы накаливания выпускаются также на напряжения 12,
24 и 36 В мощностью от 5 до 100 Вт. Эти лампы применяются
для местного освещения в соответствии с требованиями элект-
робезопасности.
Лампы накаливания малоэкономичны, так как значительная
часть энергии идет на нагрев окружающей среды, а также на
излучение, приходящееся на участки спектра, лежащие за пре-
делами видимости. Световая отдача ламп накаливания зависит
от их мощности, напряжения и превышает 20 лм!Вт.
Люминесцентная лампа состоит из стеклянной трубки дли-
ной до 1500 мм и диаметром до 40 мм, на концах которой в цо-
колях смонтированы вольфрамовые электроды. Внутренняя по-
191
верхность трубки покрыта слоем особого состава — люмино-
фором, способным светиться под действием лучистой энергии.
На концах трубки расположены цоколи со штыревыми контак-
тами. После откачки воздуха в трубку вводятся под небольшим
давлением (порядка 4 ммрт.ст.) аргон и капля ртути для обра-
зования ртутных паров.
Для нормальной работы ламп необходимы стартер, дроссель
и конденсатор. Стартер служит для автоматического зажигания
лампы при ее включении. Он представляет собой тепловое реле,
состоящее из двух электродов, размещенных в баллоне, напол-
ненном неоном, один из которых выполнен в виде биметалли-
ческой пластинки. При включении люминисцентной лампы в
сеть первоначально приходит в действие стартер, между элект-
родами которого возникает тлеющий разряд. Под влиянием тле-
ющего разряда электроды нагреваются, и биметаллический элек-
трод замыкает цепь накоротко, после этого накал электродов
лампы достигает порядка 800°С. При замыкании контактов стар-
тера тлеющий разряд исчезает, электроды стартера охлаждают-
ся и размыкают свою цепь. Дроссель включается в цепь лампы
последовательно и служит для зажигания лампы и ограничения
тока. После того как с помощью стартера цепь разомкнулась, за
счет электромагнитной энергии дросселя между электродами
лампы возникает импульс напряжения, превышающий напря-
жение сети, в результате происходит дуговой разряд между на-
каленными электродами, и лампа начинает работать при номи-
нальном напряжении сети. При отсутствии дросселя разряд, воз-
никающий в лампе, постепенно увеличивал бы проводимость в
трубке, что могло бы привести к возрастанию тока до недопус-
тимых величин. Весь процесс зажигания лампы занимает не-
сколько секунд. После того как лампа зажглась, напряжение на
зажимах стартера становится равным напряжению на лампе и
недостаточным для повторного срабатывания стартера. Нали-
чие в цепи лампы дросселя приводит к понижению coscp уста-
новки до 0,5-0,6. Для повышения coscp до 0,87-0,9 в цепь вклю-
чается конденсатор.
192
С целью уменьшения радиопомех, вызываемых разрывом
цепи тока при срабатывании электродов стартера, паралелльно
ему включается конденсатор небольшой емкости.
Вследствие: малой инерции свечения люминофора в люминес-
центных лампах имеют место заметные колебания светового
потока, глубина которых достигает 50%. Их наличие вызывает
искаженное восприятие движещихся предметов, так называемый
«стробоскопический эффект». Для уменьшения стробоскопичес-
кого эффекта применяеюся двухламповая схема включения. Лам-
пы включаются в однофазную сеть параллельно. В цепи одной
лампы протекает отстающий ток, а в цепи другой лампы, где
включен конденсатор, опережающий ток. При этом прохожде-
ние синусоиды напряжения через нуль для обеих ламп будет раз-
новременным. Световые потоки ламп складываются, что при-
водит к уменьшению стробоскопического эффекта. Схема двух-
лампового параллельного включения имеет высокое значение
coscp. Световая отдача и срок службы люминесцентных ламп в
несколько раз выше, чем у ламп накаливания, и достигает соот-
ветственно 62 лм!Вт и 6000 ч.
Расчеты показывают, что применение высокоэкономичных
люминесцентных ламп, световой к.п.д. которых в 3-4 раза выше
к.п.д. ламп накаливания, позволяет сократить расход электро-
энергии в 2-3 раза.
Наилучшей температурой для работы люминесцентной лам-
пы является 18-25°С, с понижением или повышением темпера-
туры световой поток и световая отдача ламп уменьшаются. При
температурах ниже +5°С зажигание их неустойчиво, что вызы-
вает необходимость применения специальных изолирующих и
пусковых устройств. Отечественной промышленностью выпус-
каются люминесцентные лампы мощностью от 15 до 80 Вт на
напряжение 220 В. В зависимости от выбора для люминофора
того или иного вещества или смеси веществ изменяется спект-
ральный состав света лампы. Наибольшее применение имеют
лампы дневного света (ЛД) — бело-голубые, они применяются
в тех случаях, когда требуется правильное различие цветовых
оттенков. Для освещения производственных помещений, в ко-
7. Электротехника и электроника
193
торых нет необходимости в точном различии цвета, рекоменду-
ется использовать лампы ЛХБ и ЛБ, как обладающие более при-
ятным оттенком излучения. Лампы типа ЛТБ с розовато-пур-
пурным оттенком используются преимущественно для освеще-
ния помещений общественного назначения, а типа ЛДЦ имеют
правильную цветопередачу.
Ртутные лампы высокого давления с исправленной цветопе-
редачей (ДРЛ) состоят из кварцевой колбы, содержащей ртут-
ные пары при давлении от 2 до 4 атмосфер, и внешней стеклян-
ной колбы, на внутреннюю поверхность которой нанесен слой
люминофора для пополнения спектра ртутных паров недостаю-
щими в нем лучами красной части.
Действие лампы основано на излучении света при электри-
ческом разряде в парах ртути. Схема включения лампы содер-
жит выпрямитель и разрядник для получения импульса высоко-
го напряжения, необходимого при зажигании. Эти лапмы при-
меняются для освещения улиц, строительных площадок, в цехах
металлургической промышленности и т.д., так как зажигание
ламп не зависит от температуры окружающего воздуха. Про-
мышленностью выпускается серия ламп типа ДРЛ, мощностью
250, 500, 750 и 1000 Вт при напряжении 220 В. Коэффициент
мощности составляет 0,57, а срок службы — 3000 ч.
В последние годы для освещения применяются галогеновые
и ксеноновые лампы, которые отличаются повышенным значе-
нием к.п.д. и более высокой стоимостью. Галогеновые лампы
включаются напрямую в сеть, а ксеноновые, через специальные
пускорегулирующие устройства.
8.5.	Осветительные приборы
Осветительный прибор состоит из источника света и освети-
тельной аппаратуры.
Осветительные приборы, предназначенные для создания ос-
вещенности на поверхностях, расположенных на сравнительно
близких расстояниях от источника света (не более 20-30 м), на-
194
зываются светильниками. Освещение более отдаленных предме-
тов производится прожекторами.
Источники света излучают световой поток во всех направле-
ниях в окружающем пространстве. Но для создания требуемой
освещенности на рабочих поверхностях необходимо перерасп-
ределить световой поток лампы в определенном направлении.
Для этой цели применяется осветительная арматура. Помимо
перераспределения светового потока осветительная арматура
предохраняет глаза от слепящего воздействия открытого источ-
ника света, защищает лампы от загрязнения, механических по-
вреждений, воздействий окружающей среды, а также служит для
крепления ламп, подвода к ним напряжения и украшения поме-
щений.
Перераспределение светового потока источника света осуще-
ствляется при помощи рассеивателей, отражателей, различных
преломляющих оптических систем. Рассеиватели изготовляют-
ся или из обычного стекла, подвергнутого химической или ме-
ханической матировке, или из стекла, в состав которого вводят
примеси, изменяющие коэффициент преломления света. Отра-
жатели обычно делают из металла. Они могут дать рассеянное,
направленное или направленно-рассеянное отражение света.
По способу защиты ламп от воздействия окружающей среды
светильники подразделяются на следующие типы:
-	открытые, в которых лампа не отделена от внешней среды;
-	защищенные, в которых лампа и патрон отделены от внеш-
ней среды оболочкой, укрепленной таким образом, чтобы
не препятствовать обмену воздуха между окружающей сре-
дой и внутренней полостью светильника;
-	влагозащищенные, корпус и патрон которых противосто-
ят воздействию влаги и обеспечивают сохранность изоля-
ции в проводах, введенных в светильник;
-	пылеводонепроницаемые, имеющие оболочку, уплотнен-
ную таким образом, что она не допускает проникновения
в полость расположения лампы и патрона пыли и паров
влаги;
195
-	взрывозащищенные, исключающие возможность взрыва
при установке в. помещениях с взрывоопасной средой.
Выбор типа светильника определяется условиями окружаю-
щей среды, экономичностью и эксплуатационными соображе-
ниями. Заключение лампы в арматуру приводит к тому, что часть
светового потока, излучаемого лампой, поглощается в матери-
але арматуры, т .е. к снижению общего к.п.д. осветительного
прибора.
Величина к.п.д. осветительного прибора т]св определяется от-
ношением светового потока осветительного прибора Fce к све-
товому потоку источника света F3:
Г] =^-.
F,
Коэффициент полезного действия осветительного прибора за-
висит от световых свойств материала арматуры, ее формы. Со-
временные конструкции светильников имеют т| = 0,8 - 0,85.
В зависимости от величины светового потока, излучаемого в
нижнюю полусферу, различают светильники прямого света, из-
лучающие не менее 90% светового потока; преимущественно
прямого света (45-55%); преимущественно отраженного света
(10-45%); отраженного света, излучающие до 10% светового по-
тока.
Светильники прямого света экономичны, так как большая
часть излучаемого ими светового потока концентрируется на
рабочих поверхностях. В помещениях со светлыми стенами и
потолками, обладающими высоким коэффициентом отражения
(служебные помещения, читальные залы и т.п.), целесообразно
применять светильники рассеянного света, обеспечивающие
более равномерное распределение света. При необходимости
максимального смягчения теней, например, в чертежно-конст-
рукторских бюро, используются светильники отраженного све-
та; хотя они и менее экономичны, но обеспечивают наиболее
высококачественное распределение света.
Светильники, помимо к.п.д., характеризуются кривой свето-
распределения и защитным углом. Кривые светораспределения
196
обычно стоятся для условий лампы со световым потоком 1000 лм.
Фактическая сила света светильника с заданной лампой опреде-
ляется путем умножения значения силы света, найденного по
кривой светораспределения, на поток заданной лампы в тыся-
чах люменов. Светораспределение светильников может быть
симметричным и несимметричным. Светильники с симметрич-
ным распределением силы света характеризуются одной кривой
светораспределения в меридиональной плоскости, проходящей
через ось светильника. Светораспределение источника света
изображается графически в полярных координатах кривой, от-
ражающей зависимость
4 =Ж>,
где I — сила света в данном направлении;
а — угол между осью симметрии и данным направлением.
Очевидно, что применение арматуры позволяет рационально
и экономично использовать световой поток источника света.
Защитный угол светильника является показателем, опреде-
ляющим защиту глаз от прямых лучей источника света. Этот
угол образуется между горизонталью, проходящей через нить
накала лампы, и линией, соединяющей крайнюю точку нити
накала с противоположным краем отражателя. Чем больше за-
щитный угол, тем ограниченнее слепящее действие. Защитный
угол в светильниках создают непрозрачные колпаки или зате-
нители из молочного стекла.
8.6.	Системы и виды освещения промышленных
объектов
По «Правилам устройства электроустановок» различают три
системы освещения: общее, местное и комбинированное, и два
вида освещения: рабочее и аварийное.
При общем освещении освещенность рабочих поверхностей
и всего помещения обеспечивается светильниками, размещен-
ными равномерно по всей площади помещения (равномерное
освещение), или локализование путем группировки их в местах,
197
требующих повышенной освещенности (локализованное осве-
щение). При прожекторном освещении равномерность достига-
ется соответствующим расположением прожекторов или групп
прожекторов. Система общего освещения применяется в произ-
водственных помещениях, в которых отсутствуют фиксирован-
ные рабочие места, не производятся работы, требующие разли-
чения мелких деталей, и где необходимо лишь общее наблюде-
ние за работой машин. Общее равномерное освещение устраи-
вается везде, где находятся люди, а также в местах движения
транспорта.
Общее локализованное освещение применяется на площад-
ках, где производятся работы и требуется повышенная освещен-
ность рабочих мест. Общее локализованное освещение котло-
ванов, гидротехнических сооружений, карьеров, баз и других
площадок осуществляется с прожекторных мачт. Освещение
прожекторами рекомендуется также применять для временных
или передвижных установок; территорий, на которых не могут
быть целесообразно размещены светильники (строительные пло-
щадки крупных строительств, механизированные склады, желез-
нодорожные разъезды, стадионы); охранного освещения, слу-
жащего для обеспечения условий видимости вдали границ ох-
раняемой территории. Для указанных объектов используются
прожекторы заливающего света с лампами 1000 Вт; для неболь-
ших площадей могут применяться прожекторы с лампами
500 Вт. Установка ламп иных мощностей не рекомендуется. В
специальных случаях применяются фасадные прожекторы.
При местном освещении требуемая освещенность создается
только на рабочих поверхностях. Светильники местного осве-
щения обычно устанавливаются в непосредственной близости к
рабочей поверхности. Местное освещение рассчитывается, как
правило, на напряжение 12 и 36 В.
При комбинированном освещении необходимая освещен-
ность рабочих поверхностей обеспечивается светильниками как
общего, так и местного освещения. Оно применяется для работ
особо точных, высокой точности и точных.
198
Самостоятельно можно применять общее и комбинирован-
ное освещение. Применение только одного местного освещения
«Правилами» запрещено. Общее и комбинированное освещение
относятся к рабочему освещению, которое служит для того, что-
бы обеспечить надлежащие условия для работы в темное время
суток, разновидностью рабочего освещения является охранное
освещение.
«Правила» различают аварийное освещение для продолже-
ния работы и аварийное освещение для эвакуации людей. Ава-
рийное освещение для продолжения работы требуется в поме-
щениях и на открытых площадках, где отсутствие света может
быть причиной взрыва, пожара и т. п., привести к длительному
нарушению технологического процесса или нарушить снабже-
ние потребителей электроэнергией и водой, вызвать опасность
травматизма в местах большого скопления людей.
Это освещение должно создавать на поверхностях, требую-
щих обслуживания при аварийном режиме, не менее 10% осве-
щенности, нормированной для общего рабочего освещения лам-
пами накаливания. Аварийное освещение необходимо в произ-
водственных помещениях с постоянно работающими в них людь-
ми на случай, если рабочее освещение погаснет и возникнет опас-
ность травматизма. Оно необходимо в помещениях с числом
работающих более 50 человек, независимо от возможности трав-
матизма, а также в проходах, помещениях и на лестницах, слу-
жащих для эвакуации людей из производственных и обществен-
ных зданий, где работают или пребывают более 50 человек. Оно
устраивается в местах работ на открытых пространствах, если
эвакуация рабочих связана с повышенной опасностью травма-
тизма. Это освещение должно создавать в закрытых помещени-
ях по линии основных проходов и на ступенях лестниц освещен-
ность не менее 0,3 лк, на открытых пространствах в местах ос-
новных проходов и спусков не менее 0,2 лк.
Светильники аварийного и рабочего освещения обычно вклю-
чаются и находятся в работе одновременно в течение всего вре-
мени работы и совместно создают нормированную освещен-
ность. Аварийное освещение можно использовать при уборке и
199
в целях охраны помещения в ночное время. В этом случае оно
служит в качестве дежурного или охранного освещения.
8.7.	Расчет электрического освещения
Расчет электрического освещения заключается в определении
мощности и числа ламп, необходимых для обеспечения установ-
ленного нормами уровня освещенности Е на рабочих местах
внутри помещений или на открытых пространствах. Расчету
предшествует выбор источников света, освещенности, коэффи-
циентов запаса, системы освещения, типов светильников, их рас-
положения и высоты подвеса. Для выбора этих параметров и
последующего расчета требуются следующие исходные данные:
-	планы и разрезы помещений и открытых пространств с раз-
мещением в них технологического оборудования;
-	характеристика производственного оборудования и поме-
щений или открытых пространств (отражательные свой-
ства стен и потолков, размеры зданий, контраст между де-
талями и фоном);
-	данные об источнике питания.
Выборы расположения и высоты подвеса светильников. Ра-
циональное размещение светильников общего освещения зави-
сит от высоты их подвеса и расстояния между ними: снижение
высоты подвеса увеличивает среднюю освещенность помещения,
но может увеличить неравномерность освещения и слепящее дей-
ствие источников света. Размещение светильников производит-
ся с учетом величин, приведенных на рис. 8.5. Расстояние свето-
вого центра светильника от потолка hc принимается в пределах
0,3-0,15 м, низший предел — для низких помещений. Для све-
тильников рассеянного и прямого света при выборе этой вели-
чины учитывается равномерность освещения потолка; при ма-
лых значениях hc потолок освещается неравномерно, в этом слу-
чае принимают отношение
А-= 0,2-*-0,25.
200
Расчетной высотой h называется высота светильника под ра-
бочей поверхностью, определенная по формуле
h = H-(h+h),
где Н — высота помещения, м\
hp — высота рабочей поверхности над уровнем пола, м\
hc — расстояние от потолка до светового центра светильни-
ка, м.
Рис. 8.5. Расположение светильников по высоте:
Н — высота помещения; Нд—расстояние от рабочей поверхности
до потолка; hc—расстояние от потолка до светового центра
светильника; hp — высота рабочей поверхности над уровнем пола;
hn — высота подвеса светильника: h — расчетная высота
Наиболее выгодное отношение расстояния между светильни-
ками L к расчетной высоте h определяется из условия минималь-
ного расхода электроэнергии и минимальных капитальных зат-
рат. Расстояние от стен до крайних светильников / принимают
201
равным: при наличии у стен проходов / = 0,25-0,5 L; при нали-
чии у стен рабочих мест / = 0,25-0,3 L.
Расчет освещения методом коэффициента использования све-
тового потока. Общее освещение закрытых помещений при сим-
метричном расположении светильников, как правило, рассчи-
тывается методом коэффициента использования светового по-
тока. Этот метод дает возможность определить световой поток
ламп, которые необходимо установить в светильниках того или
иного типа, чтобы получить на горизонтальной рабочей повер-
хности требуемую номрированную освещенность. Метод учи-
тывает отражение света от стен и потолка. Этот метод неприго-
ден для расчета локализованного, местного и наружного осве-
щения, в других подобных случаях.
Расчетный световой поток лампы F определяется из соотно-
шения
„ EHSKZ
л. =—-—,
Uoyn
где Ен — нормированное значение освещенности, лк;
п — количесвто установленных светильников;
S — площадь освещаемого помещения, л/2;
К — коэффициент запаса;
Z — поправочный коэффициент, учитывающий неравномер-
ность распределения освещенности;
U — коэффициент использования светового потока освети-
тельной установки.
Значения расчетных величин К, Z, Ен, Ugy, входящих в рас-
четную формулу, а также мощность ламп определяются из таб-
лиц, приводимых в специальной справочной литературе.
Коэффициент запаса К учитывает старение ламп и загрязне-
ние светильников в процессе эксплуатации, что приводит со вре-
менем к уменьшению светового потока ламп, а следовательно,
и снижению освещенности. Согласно ПУЭ К принимается рав-
ным 1,3 для помещений с незначительным выделением пыли и
до 1,7 — для помещений со значительными производственными
выделениями пыли, дыма, копоти.
202
Поправочный коэффициент:
Е
Z = —
Ен
зависит от расположения светильников и светораспределения
соответствующего типа светильника. При увеличении отноше-
ния L : h сверх наивыгоднейших значений Z резко возрастает.
Под коэффициентом использования светового потока осве-
тительной установки понимается
F
U =
°у nF,
где F — поток, попадающий на рабочую поверхность.
В справочниках коэффициент Uoy для различных светильни-
ков дается в функции коэффициентов отражения стен, потолков
и индекса помещения i. Индекс помещения вычисляется по фор-
муле:
S
l~ h(A + B)’
где h — расчетная высота, м;
S — площадь помещения, л/2;
А и В — стороны помещения, м.
Определив величины К, Z, Uoy, вычисляют F. По вычислен-
ному световому потоку находят мощность одной лампы, пользу-
ясь таблицей характеристик ламп накаливания.
При расчете люминесцентного освещения обычно задаются
потоком одной лампы и находят по его значению потребное ко-
личество ламп. При этом расчетная зависимость принимает вид
EHSKZ
п = —----,
U F
оу л
где п — число люминесцентных ламп;
F — поток одной лампы.
Определив п, легко подобрать число светильников, исходя из
архитектурных, монтажных и других соображений. Значение ко-
203
эффициента Z для установок люминесцентного освещения ори-
ентировочно принимают 1,1-1,2. Коэффициент К принимается
в зависимости от выделения пыли равным 1,5-2. Значения коэф-
фициента использования Uoy для различных типов светильни-
ков, применяемых при люминесцентном освещении, приводят-
ся в справочниках.
Точечный метод расчета освещения. Точечный метод применяет-
ся в тех случаях, когда требуется определить значение освещенно-
сти в заданной точке освещенной горизонтальной, вертикальной
или наклонной плоскости. При этом методе считается, что отра-
женный свет не влияет существенно на величину освещенности.
Освещенность горизонтальной плоскости в данной точке при
данном размещении, высоте подвеса и мощности лампы опре-
деляется из уравнения
Ia cos3 а
Е=^—2----->
п
где 1а — сила света в направлении рассматриваемой точки;
h — расчетная высота;
а — угол падения света (т.е. угол между лучом и нормалью к
освещаемой поверхности).
Точечный метод рекомендуется в качестве проверочного, а
также для расчета равномерности распределения освещенности
ответственных помещений.
Основываясь на пропорциональности между освещенностью
и световым потоком, определяют, что для создания в данной
точке освещенности Е при коэффициенте запаса К в каждом све-
тильнике должна быть установлена лампа с потоком
_ 100££
где ц — коэффициент, учитывающий влияние удаленных све-
тильников и отраженного света;
7 — суммарная освещенность в заданной наиболее уда-
ленной точке рабочей поверхности от ближайших светильни-
ков с условной лампой.
204
Выбор стандартной лампы производится так же, как при рас-
чете по методу коэффициента использования осветительной ус-
тановки.
Последнее выражение может быть решено и относительно Е,
если известен световой поток F.
Расчет общего освещения методом удельных мощностей. По-
скольку для определенных помещений или рабочих объектов
значения удельной мощности довольно устойчивы, ими можно
пользоваться для приблизительной оценки правильности закон-
ченного светотехнического расчета или для определения с при-
близительной точностью потребной мощности освещения для
решения вопросов электроснабжения.
На основании учета факторов, влияющих на величину удель-
ной мощности, для помещений различного назначения или от-
крытых площадок составлены справочные таблицы удельной
мощности, принятые в практике для определения мощности ламп
накаливания и люминесцентных ламп при общем освещении.
При пользовании этими таблицами в соответствии с исходны-
ми данными (тип светильника, Е, h, S) находится значение удель-
ной мощности, умножением которого на площадь помещения
определяется общая мощность ламп Ро6и<; мощность отдельной
лампы определяется делением Ро6и< на п.
При прожекторном освещении вертикальная освещенность
на поверхностях, обращенных к прожекторам, обычно бывает
выше горизонтальной. Поэтому ограничиваются расчетом го-
ризонтальной освещенности. Расчет прожекторного освещения
открытых пространств может быть произведен методом удель-
ной мощности.
Количество прожекторов, необходимое для освещения дан-
ного участка, может быть определено по формуле
EHSKZm
п = —-----,
Fjln
где Ен — нормированное значение освещения;
5 — освещаемая площадь;
205
т — коэффициент рассеяния, зависящий от конфигурации
участка: для узких участков он равен 1,5, для широких — 1,15;
К— коэффициент запаса, равный 1,5;
Z — коэффициент неравномерности освещения, равный 1,3-
1,5;
rj^ — к.п.д. прожектора, равный 0,52-0,6.
Для ограничения слепящего действия отношение осевой силы
света прожектора к квадрату высоты его установки над уров-
нем земли должно быть не более 300, откуда
V 300
206
9. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
9.1. Общие сведения
Измерением называют процесс определения значения физи-
ческой величины с помощью специальных технических средств
— приборов.
Электроизмерительные приборы подразделяются на прибо-
ры непосредственного отсчета и приборы сравнения.
Приборы непосредственного отсчета имеют проградуирован-
ную шкалу в единицах измеряемой величины (стрелочные ам-
перметры и вольтметры).
Приборы сравнения позволяют сравнивать измеряемую ве-
личину с мерой — образцом измеряемой величины (измеритель-
ные мосты). Эти приборы более точные, но требуют большего
времени для измерения.
Электроизмерительные приборы, показания которых явля-
ются непрерывными функциями измеряемых величин, называ-
ются аналоговыми.
Измерительные приборы, автоматически вырабатывающие
дискретные сигналы измеряемой информации, показания кото-
рых представлены в цифровой форме, называются цифровыми.
Если прибор не только показывает значение измеряемой ве-
личины, но и регистрирует ее (или только регистрирует), то та-
кой прибор называют регистрирующим. Самопишущие прибо-
ры записывают результаты измерений в форме диаграммы.
Интегрирующие приборы суммируют показания измеряемых
величин по времени или по другой независимой переменной
(счетчик электрической энергии).
9.2. Погрешности измерений
Пользование измерительными приборами с целью определе-
ния действительного значения Ад измеряемой величины сопро-
207
вождается погрешностью измерения и приводит к показывае-
мому прибором результату измерения Ап[шб, отличному от Ад.
Абсолютной погрешностью АЛ называется разность между
показанием прибора А б и действительным значением Ад изме-
ряемой величины:
ал = л ,-лл.
прио д
Поправкой а называется величина, которую следует алгеб-
раически прибавить к показанию прибора, чтобы получить дей-
ствительное значение измеряемой величины:
а = -АЛ.
Относительной погрешностью измерения (3 называется отно-
шение абсолютной погрешности к действительному значению
измеряемой величины, обычно выражаемое в процентах:
„ АА
£ =---100%.
4
Относительная погрешность измерения показывает, насколь-
ко точно определена при помощи прибора искомая величина
Ад, но не характеризует степень точности самого прибора.
Приведенной погрешностью прибора / называется выражен-
ное в процентах отношение абсолютной погрешности АЛ к наи-
большему значению Ан измеряемой величины, на которое гра-
дуирована шкала прибора, т.е. к верхнему пределу измерения
прибора, являющемуся номинальным значением измеряемой
величины, на которое рассчитан прибор:
/=М.1оо%.
Рассмотрим пример, практически иллюстрирующий смысл
относительной и приведенной погрешностей. Пусть напряже-
ние, действительное значение которого равно Ud - 60 В, измеря-
ется одновременно двумя вольтметрами, один из которых рас-
считан на Uh1 = 15 В, а другой — на Uh2 = 300 В, причем абсолют-
ная погрешность первого и второго вольтметра одинаковы и
208
равны: kUt = &U2 = 3 В. Точность определения напряжения в
обоих случаях
Д =	• 100% = — • 100% = 5%,
ид	60
Д =	• 100% = — • 100% = 5%
ид	60
получается одинаковой.
Приведенные погрешности соответственно равны
J. =	• 100% = — • 100% = 4%,
(7Н1	75
J. =	• 100% = — • 100% = 1 %,
иН2	300
т.е. первый вольтметр, рассчитанный на 75 В и дающий абсо-
лютную погрешность 3 В, является менее точным, чем второй
вольтметр, допускающий ту же погрешность 3 В при пределе
измерения 300 В.
Погрешности ЛЯ, Р и J, также как и поправка Да, могут быть
как положительными, так и отрицательными.
Каждому измерительному прибору присуще, как правило,
постоянство или изменение в весьма незначительных пределах
абсолютной погрешности ДЛ вдоль всей его шкалы. Относитель-
ная погрешность измерения Р по мере уменьшения значений из-
меряемой величины и приближения к нулю шкалы прибора не
остается постоянной, а увеличивается, стремясь к бесконечнос-
ти. Поэтому при оценке степени точности приборов ГОСТ нор-
мирует приведенную, а не относительную погрешность. Соглас-
но стандарту по степени точности приборы разделяются на сле-
дующие восемь классов: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5 и 4,0, каж-
дый из которых представляет собой взятую без знака (±) про-
центную норму, в которую должна уложиться приведенная по-
грешность J для любых значений измеряемой величины в пре-
делах рабочей части шкалы прибора. Для счетчиков активной
209
энергии шкалы классов точности несколько другая: 0,5; 1,0; 2,0;
2,5. Цифра, обозначающая класс точности, указывается на шка-
ле прибора.
Постоянной прибора, или ценой деления называется число,
на которое должно быть умножено указываемой стрелкой при-
бора количество безразмерных делений или угловых градусов
шкалы (на которые она градуирована), для того чтобы полу-
чить значение измеряемой прибором величины, выраженное в
именованных единицах — вольтах, амперах, ваттах и т.д. Цена
деления прибора С может быть найдена как отношение
с =.
«max’
где а — максимальное число делений шкалы прибора.
Если шкала прибора градуирована непосредственно к име-
нованных единицах, то понятие цены деления теряет практичес-
кий смысл, так как в этом случае С = 1.
Чувствительностью прибора называется отношение числа
делений или градусов, на которое перемещается указатель (стрел-
ка) прибора, к изменению измеряемой величины, вызвавшему
это перемещение. Для прибора, имеющего равномерную шка-
лу, чувствительность 5 может быть определена как
g _ «max
4 '
В этом случае 5 остается одинаковой вдоль всей шкалы при-
бора и представляет собой величину, обратную цене деления.
При неравномерной шкале для каждой из ее точек чувствитель-
ность определяется как отношение элементарного углового пе-
ремещения Да указателя (стрелки) к вызвавшему его элементар-
ному приращению &А измеряемой величины, т.е.
„ .. Да
5 = lim---.
ДЛ-»0 ДД
Порогом чувствительности прибора называется наименьшее
значение измеряемой или контролируемой прибором физичес-
210
кой величины, способное вызвать заметное изменение показа-
ния прибора.
Погрешность, которая присуща данному прибору при нор-
мальных условиях его работы, являющаяся следствием несовер-
шенства его конструкции и выполнения, например, следствием
трения в опорах подвижной части, неточности градуировки или
вычерчивания шкалы и т. п., называется основной погрешнос-
тью. Погрешности, обусловленные влиянием на показания при-
бора различных внешних факторов, например, температуры сре-
ды, магнитных полей и т.п., называются дополнительными по-
грешностями. Основная и дополнительные погрешности вместе
с погрешностями, обусловленными личными свойствами челове-
ка, производящего эксперимент, составляют группу системати-
ческих погрешностей, которые при повторных измерениях оста-
ются постоянными или же изменяются по определенному закону.
Влияние систематических погрешностей может быть исключено
введением соответствующих поправок. Кроме того, при измере-
нии возможны также случайные погрешности, величины, приро-
да и закономерность которых остаются неизвестными, и ошиб-
ки, приводящие к грубым искажениям результатов измерений и
являющиеся обычно следствием неправильного отсчета по шка-
ле прибора, неверной записью наблюдений и т.п.
В целях уменьшения дополнительных погрешностей прибо-
ров измерительные механизмы, имеющие слабые собственные
магнитные поля, защищают от влияния внешних магнитных
полей посредством экранирования.
9.3.	Классификация электроизмерительных
приборов
В соответствии со стандартом электроизмерительные прибо-
ры классифицируются по следующим признакам:
1.	По роду измеряемой величины: вольтметры, амперметры,
ваттметры и т.д. На шкале прибора наносят полное наименова-
ние прибора или первую латинскую букву измеряемой величи-
ны, например: вольтметр — V, амперметр — А, ваттметр — W.
211
2.	По роду тока: постоянный (-), однофазный переменный (~),
постоянный и переменный (~); трехфазный («), трехфазный при
несимметричной нагрузке фаз (X )• Указывается также рабочая
частота или диапазон частот. Если частота не указана, то при-
бор предназначен для работы в цепях с частотой 50 Гц.
3.	По принципу действия измерительного механизма — маг-
нитоэлектрический О, электромагнитный выпрямительный £.,
электродинамический Ф, индукционный О, ферродинамический
© и т.д.
4.	По классу точности — обозначают цифрой, равной допус-
каемой приведенной погрешности, выраженной в процентах.
Приборы классов точности от 0,05 до 0,5 называют лабора-
торными, а от 1 до 4 — техническими.
5.	По степени защиты от внешних магнитных и электричес-
ких полей — I категории и II категории.
9.4.	Измерение токов
Прибор для измерения силы тока — амперметр — включает-
ся последовательно с нагрузкой (рис. 9.1). При таком включе-
нии весь измеряемый ток проходит через прибор. Для того что-
бы включение амперметра не оказывало влияния на режим ра-
боты цепи, амперметры выполняют с весьма малым внутренним
сопротивлением (десятые, сотые доли ома). Наименьшая погреш-
ность измерений получается при RA <£ R .
Рис. 9.1. Схема включения
амперметра
Для расширения пределов измерения амперметров применя-
ются шунты (рис. 9.2).
212
Рис. 9.2. Схема включения
амперметра с шунтом
Шунт — это сопротивление, выполненное из провода высо-
кого сопротивления (манганина или константана) и включае-
мое параллельно амперметру. Шунты бывают внутренние и на-
ружные. Внутренние встраиваются в амперметры, обычно на
токи до 50 Л, а наружные подключаются на клеммы прибора.
Согласно первому закону Кирхгофа, ток 1 = 1ш+ 1А (см. рис. 9.2).
Напряжения на шунте и амперметре равны:
I R =1Я„
ш iu А А7
т т Ra
откуда
следовательно,
D	( R
L=IA— + IA=IA — + 1 = 1А
Ui A	A A	А
Ш	\ ш 1
I
где п =----шунтовой коэффициент, который показывает во
сколько £>аз увеличивается предел измерения амперметра.
9.5.	Измерение напряжений
Вольтметр включается параллельно нагрузке (рис. 9.3). Для
обеспечения минимальной погрешности измерений внутреннее
213
сопротивление вольтметра Rv должно быть намного больше
сопротивления нагрузки R Внутреннее сопротивление воль-
тметра составляет десятки и сотни килоОм. У цифровых прибо-
ров оно измеряется в мегаОмах. Для расширения пределов из-
мерения вольтметра применяются добавочные сопротивления,
которые включаются последовательно с обмоткой вольтметра
(рис. 9.4). Напряжения на вольтметре и добавочном сопротив-
лении прямо пропорциональны их сопротивлениям
с)об _ 1Хдоб> Г _ ()об
Uv RVIV Rv
Согласно второму закону Кирхгофа
D
U ~U +и =и + —
Ку
1+-^- V
к
= n-Uf,
214
где п = 1 + —— = — — множитель, показывает во сколько раз
By	Uу
увеличивается предел измерения вольтметра.
В вольтметре с пределом измерения до 600 В добавочные со-
противления встраиваются внутрь прибора, а свыше 600 В при-
меняются наружные сопротивления.
9.6.	Измерение сопротивлений
Все сопротивления условно делятся по величине на три класса:
1. Малые, до 1 Ома.
2.	Средние, от 1 Ома до 100 000 Ом.
3.	Большие, свыше 100 000 Ом.
Измерение сопротивлений осуществляется методом ампер-
метра и вольтметра по двум схемам: рис. 9.5 и рис. 9.6. В схеме
рис. 9.5 амперметр показывает сумму токов, проходящих через
вольтметр, и измеряемое сопротивление:
Рис. 9.5. Схема
для измерения малых
и средних сопротивлений
По закону Ома измеряемое сопротивление
Uy _ Цу
1Л-.
215
где Uv — показание вольтметра;
I — показание амперметра;
Rv — внутреннее сопротивление вольтметра, обозначаемое
на шкале прибора.
Наибольшая точность измерений наблюдается при Rv Rx.
В схеме рис. 9.6 амперметр показывает ток, проходящий че-
рез измеряемое сопротивление Rx, вольтметр измеряет напря-
жение
откуда
U = и + и = IR+IR,
Ах А	х7
R
X	j	j	Л
где U — показание вольтметра;
/ — показание амперметра;
Ra — внутреннее сопротивление амперметра, указываемое на
шкале прибора.
Рис. 9.6. Схема для измерения
средних и больших
сопротивлений
Наибольшая точность измерений получается при Rx 2> RA.
Мостовая схема предназначена для измерения средних и боль-
ших сопротивлений (рис. 9.7), позволяет более точно произво-
дить процесс измерения. Мост состоит из четырех резисторов,
величину одного из них требуется определить, например R} =
= Rx. В одну диагональ моста включается источник постоянно-
го напряжения, а в другую — высокочувствительный прибор
216
магнитоэлектрической системы — гальванометр. Резисторы Rx
и R2 соединены последовательно, по ним протекает один и тот
же ток 2. Резисторы 7?3 и R4 также соединены последовательно,
по ним протекает ток /34.
Рис. 9.7. Мостовая схема измерения сопротивлений
При измерении сопротивления Rx, сопротивления резисторов
R2, R2 и /?4 регулируем таким образом, чтобы установить равно-
весие моста, при этом Uaс = и Ucb = Udb, потенциалы точек с и
d равны, поэтому гальванометр показывает ноль.
Условие равновесия моста
~ ^2^3’
откуда
' *з
х R.
217
Сняв отчет Rv R} и Т?4, определяем значение Rx.
Прибор непосредственного отсчета сопротивлений — омметр
— состоит из источника питания постоянного тока (батареи),
регулировочного резистора R и миллиамперметра магнито-
электрической системы (рис. 9.8). Шкала прибора градуируется
в омах.
Рис. 9.8. Схема омметра
Перед измерением зажимы Rx замыкаются накоротко, и ре-
гулировочным резистором Rpei выставляется ноль на шкале при-
бора. Затем подключается измеряемое сопротивление и снима-
ется отсчет.
Приборы непосредственного отсчета более удобны в эксплу-
атации, но менее точны, чем приборы сравнения.
9.7.	Измерение активной мощности в цепях
постоянного и однофазного переменного токов
Приборы для измерения активной мощности (мощности, ко-
торая совершает полезную работу) электродинамической или
ферродинамической систем включаются по схеме рис. 9.9. Ват-
тметр имеет две обмотки — вольтметровую или параллельную
и токовую или последовательную. Начало обмоток обознача-
ют точками, так как ваттметр — прибор полярный, то начало
обмоток соединяют вместе и подключают обычно к одному из
сетевых проводов.
218
Рис. 9.9. Схема включения
ваттметра
Показание прибора на постоянном токе
P=UI,
где U — напряжение на вольтметровой обмотке;
I — ток, протекающий по амперметровой обмотке.
На переменном токе показание прибора
P = UIcos(ui},
где cos^GYj — значение косинуса угла между напряжением и
током.
Цена деления ваттметра зависит от предела измерения по
напряжению U д, предела измерения по току 1пра) и от числа де-
лений шкалы а :
max
пред пред
9.8.	Измерение активной мощности
в трехфазных цепях
Измерение активной мощности в четырехпроводной цепи осу-
ществляется тремя ваттметрами, включаемыми по схеме рис. 9.10.
Каждый ваттметр измеряет мощность одной фазы. Активная
мощность трехфазной цепи равна сумме показаний трех ватт-
метров:
219
Рис. 9.10. Схема измерения активной мощности в четырехпроводной
трехфазной цепи
При симметричной нагрузке, когда ZA-ZB- 7.с, для измере-
ния мощности трехфазной цепи достаточно включения одного
ваттметра в любую из фаз, например, в фазу А:
Р = ЗРЛ.
А
В трехфазной трехпроводной цепи мощность измеряется дву-
мя ваттметрами (рис. 9.11), независимо от схемы соединения
нагрузки. Ваттметр, включенный в фазу Л, измеряет ток фазы А
и линейное напряжение UAC. Токовая обмотка ваттметра фазы
В включена в линейный провод В, а обмотка напряжения — на
линейное напряжение UBC.
Мощность трехфазной цепи равна алгебраической сумме по-
казаний двух ваттметров:
Р = РА + Рв = UAC1A cos(30° - ср) + UBCIB cos(30° + ф).
Углы сдвига по фазе	30° - ф между векторами U лс и 1л и
\|/в = 30° + ф между U вс и 1в определяем по векторной диаграм-
ме рис. 9.12.
220
Рис. 9.11. Схема измерения активной мощности в трехфазной трех-
прдводной цепи
Рис. 9.12. Векторная диаграмма для метода двух ваттметров
221
При <р = 0 показания ваттметров одинаковы, при (р = 60° по-
казания одного из ваттметров равны нулю и вся мощность ре-
гистрируется другим ваттметром, при <р > 60° показания одного
из ваттметров отрицательны (рис. 9.13).
Рис. 9.13. Показания ваттметров в процентах номинальной
мощности при симметричной нагрузке
Промышленность выпускает трехфазные ваттметры для из-
мерения мощности в четырехпроводных и трехпроводных трех-
фазных цепях.
222
9.9.	Измерение энергии
Схемы включения счетчиков электрической энергии в одно-
фазных и трехфазных цепях переменного тока ничем не отлича-
ются от схем включения ваттметров.
На шкале счетчика активной энергии указываются номи-
нальные напряжения и частота, диапазон токов, у которого
меньшая цифра является номинальным током, а верхняя — мак-
симальным током, число оборотов диска на 1 кВт/ч, напри-
мер, 1 кВт/ч = 2500 оборотов диска.
Величина потребляемой энергии определяется разностью от-
счетов по счетному механизму в конце и в начале временного
периода.
9.10.	Электрические измерения неэлектрических
величин
Неэлектрическая величина X с помощью датчика может быть
преобразована в электрическую величину Y — напряжение, ток
частоту и т. д. (рис. 9.14). С выхода датчика электрическая вели-
чина подается на усилители и далее — на измерительный при-
бор (вольтметр, амперметр), шкала которого градуируется в
единицах измеряемой величины. В некоторых схемах усилитель
или источник питания могут отсутствовать.
Неэлектрическая	Электрическая
Рис. 9.14. Схема измерения неэлектрической величины
Датчики-преобразователи делятся на две группы: парамет-
рические и генераторные.
223
К параметрическим датчикам относятся:
-	реостатные (рис. 9.15, а), которые используются для пре-
образования угловых и линейных перемещений.
Датчик состоит из обмотки на каркасе и щетки. Форма кар-
каса зависит от характера измеряемого перемещения и других
факторов, может иметь вид прямоугольника, цилиндра, призмы
и т.д. Для изготовления каркасов применяются диэлектрики —
гетинакс, пластмасса и керамика. Проволока для обмотки вы-
полняется из сплавов. Дешевым и часто используемым матери-
алом является константан. При высоких температурах приме-
няются нихром и фехраль. Щетка (движок) выполняется из про-
волок или из плоских пружинящих полосок.
Достоинство реостатных преобразователей состоит в получе-
нии значительного выходного сигнала при сравнительно простой
конструкции. Недостаток — наличие скользящего контакта;
-	тензометрические (проволочные) преобразователи (рис.
9.15, б) используют зависимость электрического сопротив-
ления проводника от механического воздействия. Датчик
состоит из тонкой проволоки высокого сопротивления на
подложке.
Достоинством этого типа преобразователей являются малые
габариты и вес, простота конструкции, надежность и сравни-
тельно высокая точность, недостатком — малая чувствитель-
ность.
Тензометрические датчики используются для измерения де-
формаций, усилий, давлений и т.д.;
- терморезисторные (рис. 9.15, в), принцип действия кото-
рых основан на зависимости электрического сопротивле-
ния проводника или полупроводника от температуры.
Полупроводниковые терморезисторы (термисторы) имеют
более высокую чувствительность, так как температурный коэф-
фициент электрического сопротивления в 10-15 раз выше, чем у
проводниковых материалов. Недостатком термисторов являет-
ся нелинейный характер функций преобразования.
Термисторные преобразователи применяются для измерения
температур, скорости движения газов, измерения вакуума и т.д.;
224
Рис. 9.15. Измерительные преобразователи: а—реостатный;
б — тензометрический; в — терморезисторный; г-— индуктивный;
д — емкостный; е — фоторезисторный; ж — термоэлектрический
8. Элекгротехника и электроника
225
-	индуктивные, используют зависимость изменения индук-
тивности от положения отдельных элементов магнитопро-
вода, например, якоря (рис. 9.15, г). С изменением зазора б
изменяется и индуктивность.
Индуктивные преобразователи используются для измерения
механической силы, давления, линейного и углового перемеще-
ний;
-	емкостные — принцип действия основан на изменении ем-
кости конденсатора (рис. 9.15, д). Как известно, емкость
конденсатора зависит от размеров пластин, расстояния
между пластинами б и диэлектрической проницаемости ди-
электрика между ними.
Применяются для измерения мелких перемещений, силы, дав-
ления, уровня жидкости, влажности и т.д.;
-	фоторезисторные (рис. 9.15, е). Фоторезистор — полупро-
водниковый прибор, сопротивление которого зависит от
интенсивности падающего на него светового потока.
Применяются для измерения прозрачности жидкостей и газов.
В генераторных преобразователях измеряется неэлектричес-
кая величина, преобразуется в э.д.с. Наибольшее распростране-
ние получили следующие преобразователи:
-	термоэлектрические — основаны на термоэлектрическом
эффекте, возникающем в цепи термопары (рис. 9.15, ж),
состоящей из двух разнородных проводников.
Шкала измерительного прибора градуируется непосредствен-
но в единицах измеряемой величины — °C;
-	индукционные — в основном это микрогенераторы посто-
янного и переменного тока, предназначенные для измере-
ния частоты вращения (тахометры);
-	пьезоэлектрические — основаны на использовании прямо-
го пьезоэлектрического эффекта, заключающегося в появ-
лении э.д.с. на поверхности некоторых кристаллов, напри-
мер, кварца, под влиянием механических напряжений.
226
10. ЭЛЕКТРОНИКА
10.1.	Общие сведения об электровакуумных приборах
Электровакуумными приборами называются приборы, у ко-
торых явление тока связано с движением электронов в вакууме.
Разряжение воздуха составляет менее 100л*к77а, характерное для
высокого вакуума. Электронные приборы состоят из стеклян-
ной колбы-баллона (в некоторых рлучаях из металла или специ-
альной керамики), системы электродов и цоколя (или группы
выводов). Внешние выводы электровакуумного прибора выпол-
няют в виде штырьков. В некоторых приборах они укрепляются
в пластмассовой оправке — цоколе, который приклеивается к
баллону прибора. В электровакуумных приборах безцокольной
конструкции штырьки ввариваются в утолщенную часть балло-
на прибора — ножку. Сверхминиатюрные лампы не содержат
штырьков, вместо штырьков имеются гибкие луженые выводы.
Электровакуумные приборы предназначены для преобразо-
вания электрических величин, например, тока или напряжения,
по форме, значению и частоте, преобразования оптического
изображения в электрический ток специальной формы или на-
оборот (в телевизионных и осциллографических трубках).
Особую группу составляют генераторные усилительные, ча-
стотно-преобразовательные и другие лампы. Большинство из
них работают в непрерывном режиме, промышленность выпус-
кает лампы и для импульсного режима. В них протекают крат-
ковременные токи — электрические импульсы, длительность ко-
торых обычно много меньше, чем промежутки между ними.
В зависимости от рабочих частот электрические лампы под-
разделяются на низкочастотные, высокочастотные и сверхвы-
сокочастотные.
10.2.	Двухэлектродная лампа — диод
Диод состоит из стеклянного или металлического баллона с
двумя электродами — анодом и катодом. Различают диоды пря-
227
мого шакала и диоды косвенного накала (рис. 10.1, а, б). В дио-
дах прямого накала нить накала является катодом, питается от
батареи накала с напряжением в несколько вольт. Нагретый
катод эмиттирует электроны, которые устремляются к аноду,
если к электродам лампы приложено напряжение (рис. 10.1, в).
Направление анодного тока в лампе противоположно направ-
лению движения электронов. При изменении полярности анод-
ного напряжения ток в анодной цепи будет равен нулю, т.е. диод
обладает вентильными свойствами — пропускает ток только в
одном направлении.
Рис. 10.1. Диод прямого накала (а); диод косвенного накала (б);
схема включения диода (в)
При открытом диоде анодный ток увеличивается с ростом
анодного напряжения. Зависимость анодного тока от анодного
напряжения Ia = f(Ua) при постоянном по величине напряжении
накала Un = const называется анодной или вольт-амперной ха-
рактеристикой (рис. 10.2). При отрицательном анодном напря-
жении анодный ток равен нулю, при Ua = 0 часть электронов
достигает анода и в лампе протекает ток. Далее анодный ток
возрастает с увеличением анодного напряжения по линейному
закону до значения тока насыщения. При насыщении все элект-
роны термоэмиссии достигают анода, дальнейшее увеличение
228
тока лампы возможно за счет увеличения температуры катода,
т.е. увеличения напряжения накала Uu.
Рис. 10.2. Вольт-амперная характеристика диода
Основными параметрами диода являются: внутреннее сопро-
тивление лампы Rt, крутизна характеристики S, допустимая мощ-
ность, выделяющаяся на аноде Ра, предельно допустимый анод-
ный ток 1а, напряжения анода Ua и накала Un, обратное напря-
жение Uo6p. Все эти величины указывается в справочниках.
Внутренним или дифференциальным сопротивлением диода
называют отношение бесконечно малого приращения напряже-
ния к бесконечно малому приращению тока:
К = Л№.
' Ыа
Крутизна характеристики — величина, обратная внутренне-
му сопротивлению диода
g _ Ata _ 1
At/а Rt ’
229
Выделяющаяся на аноде мощность Ри - UaIu должна быть мень-
ше допустимой мощности Радип, указанной в паспорте лампы.
Для каждой лампы указывается наибольшее допустимое об-
ратное напряжение LK, которое может быть приложено к лам-
пе в непроводящем направлении.
Система обозначения электровакуумных диодов означает
следующее: первая (цифра) — напряжение накала; вторая (бук-
ва) — тип лампы: Д — диод, Ц— кенотрон, X — двойной диод;
третья (цифра) — порядковый номер данного типа прибора;
четвертая (буква) — конструктивное оформление: С — стеклян-
ная миниатюрная пальчиковая, Г, Б, Р — стеклянные сверхми-
ниатюрные, Н — металлокерамическая. Отсутствие четвертого
знака (буквы) означает металлическую оболочку.
Диоды применяют для выпрямления переменного тока (ке-
нотроны), для преобразования высокочастотных колебаний —
детектирования, модулирования, преобразования частот.
10.3.	Трехэлектродная лампа — триод
Триод в отличие от диода имеет третий электрод — сетку,
которая располагается между анодом и катодом. Подавая на
сетку напряжение, можно изменять количество электронов в по-
токе, т.е. управлять анодным током (рис. 10.3). Поэтому сетка
называется управляющей.
Зависимость анодного тока от анодного напряжения I
при (7 = const называется анодной Характеристикой (рис. 10.4,
а). Если напряжение на сетке U = 0, то анодная характеристика
аналогична ВАХ диода. При (7. > 0 характеристика располага-
ется правее характеристики, полученной при Ц = 0, т.е. смеща-
ется в область более высоких напряжений, сохраняя форму и
наклон.
Совокупность анодных характеристик, снятых при различ-
ных сеточных напряжениях, называется семейством анодных
характеристик.
Анодно-сеточные характеристики лампы Ia -f(U), снимают-
ся при неизменном анодном напряжении Ua = const. Чем боль-
230
Рис. 10.4. Характеристики триода: анодные (а);
анодно-сеточные (б)
231
ше анодное напряжение, тем больше должно быть отрицатель-
ное сеточное напряжение для запиранйя лампы (рис. 10.4, б).
В справочниках приводится семейство анодно-сеточных ха-
рактеристик для каждой лампы.
К основным паараметрам триода относятся: внутреннее со-
противление /?., крутизна 5 и коэффициент усиления ц.
Внутренним, или дифференциальным, сопротивлением три-
ода на переменном токе называется отношение приращения
анодного напряжения &Ua к вызванному им приращению анод-
ного тока А/ при неизменном сеточном напряжении U = const:
' ч
Внутреннее сопротивление характеризует влияние анодного
напряжения на анодный ток лампы.
Следует подчеркнуть различие между сопротивлением лам-
пы на переменном токе R. и сопротивление лампы на постоян-
ном токе Rq. R. называют дифференциальным сопротивлением,
a Ro — статическим, разница между значениями R. и Ro может
быть весьма большой.
Крутизна 5 характеризует управляющее действие сетки, т.е.
влияние сеточного напряжения U на анодный ток 1а. Если при
постоянном анодном напряжении Uu = const изменение сеточ-
ного напряжения АС/ изменяет анодный ток на А/, то
о А/
5 = —2-.
At/,
Коэффициентом усиления триода ц называется отношение
изменения анодного АС, и сеточного напряжения АС/, при ко-
тором происходит одно и то же изменение анодного тока
At/f ’
Основные параметры триода связаны следующим уравнением:
ц = R. S,
которое называется внутренним уравнением триода.
Д =
232
При работе триода на высоких частотах оказывают влияние
межэлектродные емкости: сетка-катод Сск, сетка-анод С а; анод-
катод Сак, что затрудняет применение триода на высоких частотах.
Промышленность выпускает триоды прямого накала и с по-
догревным катодом (косвенного накала), двойные триода — с
двумя анодами, с двумя катодами и с двумя сетками в одном
баллоне. В двойных триодах ставится экранирующая перегород-
ка, которая заземляется для исключения взаимного влияния элек-
тродов.
10.4.	Четырехэлектродная лампа — тетрод
Недостатки триода — малый коэффициент усиления и боль-
шая проходная емкость — устраняются в тетроде. Для этого
ме,жду анодом и управляющей сеткой устанавливается экранная
или экранирующая сетка, на которую подается положительный
потенциал, равный половине анодного напряжения (рис. 10.5,
а). Конденсатор Сэ служит для отвода переменной составляю-
щей напряжения.
Рис. 10.5. Схема включения тетрода (а)
и его анодная характеристика (б)
233
Недостатком тетрода является возникновение потока элект-
роном вторичной эмиссии от анода к экранирующей сетке. Элек-
троны, летящие с большой скоростью к аноду, выбивают из его
поверхности вторичные электроны, которые направляются к эк-
ранирующей сетке, создавая сеточный ток, направленный про-
тив анодного тока. На анодной характеристике появляется про-
вал (рис. 10.5, 6). Это явление называют динатронным эффектом.
10.5.	Пятиэлектродная лампа — пентод
В пентодах для устранения динатронного эффекта устанав-
ливают третью сетку — антидинатронную, которую еще назы-
вают защитной, или пентодной. Третья сетка устанавливается
между анодом и экранной сеткой, соединяется с катодом и на-
ходится под отрицательным потенциалом относительно анода
(рис. 10.6). Она отталкивает электроны вторичной эмиссии об-
ратно на анод, и ток вторичной эмиссии не возникает.
Рис. 10.6. Условное обозначение
пентода на электрических схемах
Коэффициент усиления ц и внутреннее сопротивление R.пен-
тода много больше, чем у тетрода.
10.6.	Комбинированные и многоэлектродные лампы
Комбинированные и многоэлектродные лампы применяют
для уменьшения габаритов электронных устройств и упроще-
ния монтажа. К комбинированным лампам относятся диоды-
234
триоды, триоды-пентоды и другие, имеющие в одном баллоне
две системы электродов.
Многоэлектродные лампы — лампы, имеющие анод, катод и
более трех сеток. Например, гексод — шестиэлектродная, геп-
тод — семиэлектродная и октод — восьмиэлектродная лампы.
10.7.	Электронно-лучевые трубки
Электронно-лучевые трубки предназначены для преобразо-
вания электрических сигналов в световые.
По своему назначению электронно-лучевые трубки подраз-
деляются на три группы: осциллографические, предназначен-
ные для исследования периодических и апериодических про-
цессов; индикаторные — для регистрации сигналов; приемные
телевизионные (кинескопы) — для получения изображения на
экране.
Электронно-лучевые трубки состоя! из стеклянного балло-
на, в котором размещены электроды: подогревной катод, управ-
ляющий электрод (модулятор), фокусирующий анод, ускоряю-
щий анод и система отклонения луча (рис. 10.7).
Электроны, эмиттированные катодом, проходят через элект-
рические поля первого и второго анодов. На первый анод (фо-
кусирующий) подается относительно небольшое положительное
напряжение, порядка нескольких сот вольт, на второй анод (ус-
коряющий) подается более высокое положительное напряжение
в несколько киловольт. Регулирование количества электронов
в луче и яркости пятна на экране осуществляется изменением
потенциала модулятора. Для отклонения электронного луча в
вертикальной плоскости служат вертикально отклоняющие пла-
стины, а для отклонения луча в горизонтальной плоскости —
горизонтально отклоняющие пластины. На отклоняющие пла-
стины подается напряжение постоянного тока. Экран электрон-
но-лучевой трубки с внутренней стороны покрыт специальным
составом—люминофором, который светится при бомбардиров-
ке электронами.
235
Рис. 10.7. Схема устройства электронно-лучевой трубки:
1 — нить накала; 2 — катод; 3 — управляющий электрод;
4, 5 — аноды; 6 — вертикально отклоняющие пластины;
7 — горизонтально отклоняющие пластины; 8 — экран
Электронно-лучевые трубки цветных телевизоров имеют бо-
лее сложную конструкцию. Это трехлучевые кинескопы с тене-
вой маской и трехцветным мелкоструктурным люминофорным
покрытием экрана.
10.8.	Электропроводность полупроводников
Полупроводники — вещества, например, кремний, германий,
селен, закись меди, проводимость которых значительно мень-
ше, чем у металлов, но значительно больше, чем у диэлектри-
ков. Кремний и германий — основные полупроводниковые ма-
териалы, обнаруживают свойства полупроводников при очень
высокой степени химической чистоты. Они относятся к четы-
рехвалентным элементам, т.е. имеют на внешней электронной
оболочке каждого атома четыре валентных электрона, которые
могут вступать в связи с соседними атомами. Кристалл герма-
236
ния построен таким образом, что каждый из четырех валентных
электронов связан с одним из соседних атомов. Посредством этих
связей у германия образуется кристаллическая решетка, такая
же, как у алмаза. Каждые два соседних атома кристаллической
решетки связаны между собой двумя валентными электронами
(рис. 10.8).
Рис. 10.8. Схема связей
в кристаллической решетке
германия
С увеличением температуры вещества такие связи вследствие
увеличения тепловых колебаний могут разрушаться, и электро-
ны становятся свободными. Этих электронов с их отрицатель-
ными зарядами будет недоставать у отдельных атомов герма-
ния, каждый из которых соответственно имеет положительный
элементарный заряд. Дефицит электронов у атома может покры-
ваться за счет соседних связей, что приводит к перемещению
дефектного места — дырки, которая перемещается от атома к
атому, совершая неупорядоченное движение, подобное движе-
нию свободных электронов. Этот процесс эквивалентен движе-
нию положительного элементарного заряда по тому же пути.
Внешнее электрическое поле действует на дырку в направлении
поля, так же, как на положительный заряд, ускоряя ее переме-
щение. Таким образом, в полупроводниках имеются два различ-
ных типа проводимости — проводимость за счет перемещения
237
свободных электронов и проводимость за счет перемещения
дырок. Первая из них называется проводимостью и-типа, или
электронной проводимостью, вторая — проводимостью р-типа,
или дырочной проводимостью.
Путем внесения в полупроводник малых количеств примесей
элементов третьей (бор, индий) или пятой (мышьяк, сурьма)
группы имеется возможность влиять на величину и характер
проводимости.
Примеси третьей группы называют акцепторами, или при-
емниками электронов. Полупроводники с такими примесями, ха-
рактеризующиеся дырочной проводимостью, называют полу-
проводниками p-типа. После перемещения дырки атом примеси
будет представлять собой закрепленный в решетке отрицатель-
ный ион.
Примеси пятой группы называют донорами, или источника-
ми. Полупроводники с такими примесями, характеризующиеся
преобладанием свободных электронов, являются полупроврд-
никами п-типа. После перемещения электрона атом примеси
будет представлять собой закрепленный в решетке положитель-
ный ион.
10.9.	Электронно-дырочный переход
Использование большинства полупроводниковых приборов
основано на процессах, протекающих на границах соприкосно-
вения двух областей различных типов проводимости.
Предположим, что в полупроводник слева от плоскости со-
прикосновения введены акцепторные примеси, а справа — до-
норные (рис. 10.9).
Носители заряда, определяющие вид проводимости в примес-
ном полупроводнике, называются основными (дырки в p-полу-
проводнике и электроны в н-полупроводнике), а носители заряда
противоположного знака — неосновными. Дырки будут диффун-
дировать слева направо из области р в область п. Свободные элек-
троны будут диффундировать в противоположном направлении.
В итоге слева от плоскости соприкосновения образуется избы-
238
точный отрицательный заряд, а справа — избыточный положи-
тельный заряд. Вследствие рекомбинации электронов и дырок в
близлежащих к плоскости соприкосновения областях не будет ни
дырок, ни свободных электронов, избыточный заряд по существу
будет создаваться слева отрицательными ионами акцептора, а
справа — положительными ионами донора. В месте р-п перехода
возникает электрическое поле Е, направленное справа налево и
препятствующее дальнейшей диффузии дырок и электронов. Меж-
ду областями р и п образуется разность электрических потенциа-
лов, т.е. возникает так называемый потенциальный барьер.
Е
Рис. 10.9. Схема р-п перехода: © — отрицательные иопы акцепторов;
® — положительные ионы доноров; • — электроны; О — дырка
Если к р-п переходу подвести постоянное напряжение, как
показано на рис. 10.10, а, то величина потенциального барьера
снизится и основные носители тока (дырки слева и электроны
справа) получат возможность проходить через р-п переход. В
цепи возникает так называемый прямой ток, который возраста-
ет с увеличением напряжения источника питания.
Если к р-п переходу приложить обратное напряжение (рис.
10.10, 6), то потенциальный барьер возрастет на величину этого
напряжения, и основные носители тока не смогут проходить
через плоскость раздела двух полупроводников. Однако ток не
будет полностью отсутствовать.
239
Рис. 10.10. Включение р-n перехода на постоянное напряжение
Кроме основных носителей тока, вызванных наличием приме-
сей, в р и п областях имеются в небольшом количестве так назы-
ваемые неосновные носители тока, имеющие знаки зарядов, про-
тивоположные знакам зарядов основных носителей, а именно: в
области р присутствуют в небольшом количестве свободные элек-
троны, а в области п — дырки. Очевидно, что эти неосновные
носители тока свободно проходят через потенциальный барьер,
так как электрическое поле здесь не препятствует, а способствует
их прохождению. Они образуют так называемый обратный ток.
С увеличением обратного напряжения обратный ток быстро дос-
тигает своего предельного значения, определяемого числом элек-
тронно-дырочных пар, порождаемых в образце в единицу време-
ни. Обратный ток во много раз меньше прямого.
Если напряжение в непроводящем направлении увеличивать
далее, то при определенном значении напряжения обратный ток
резко возрастает. В этом случае в переходном слое отрываются
от атомов валентные электроны, что еще больше увеличивает
число электронов проводимости. Это явление используется в
специальных диодах — стабилитронах.
10.10.	Полупроводниковые диоды
Полупроводниковый диод — это прибор, имеющий один р-п
переход и два внешних вывода. К полупроводниковым диодам
240
относятся: выпрямленные диоды низкой и высокой частоты,
стабилитроны, туннельные диоды, фотодиоды и др.
Выпрямительные диоды, предназначенные для преобразова-
ния переменного тока пониженной частоты в постоянный, под-
разделяются на собственно выпрямительные диоды (средний
выпрямительный ток 1ср < 10 Л) и силовые-вентили (/ > 10 Л).
На рис. 10.11, а показана структура диода, а на рис. 10.11, б
— его обозначение на электрических схемах. Электрод, подклю-
ченный к области р, называется анодом, а электрод, подклю-
ченный к области п — катодом.
р	п
Рис. 10.11. Структура диода (а);
обозначение диода на электрических схемах (б)
К основным параметрам диода относятся:
-	падение напряжения U на диоде при определенном зна-
чении прямого тока;
-	обратный ток 1о6р при определенном значении обратного
напряжения;
-	среднее значение прямого тока I
-	импульсное обратное напряжение Ug6pu.
Типовая вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода пока-
зана на рис. 10.12.
Маркировка полупроводниковых диодов содержит обозна-
чение из четырех элементов (четвертый элемент, указывающий
на конструктивное оформление — буква, может отсутствовать).
Первый элемент (буква или цифра) обозначает исходный полу-
проводниковый материал: Гили 1 —германий или его соедине-
ния; К или 2 — кремний или его соединения; Л или 3 — соедине-
ния галлия. Второй элемент (буква) указывает класс полупро-
водникового прибора: Д — диод; И — туннельный диод; С —
241
стабилитрон и т.д. Третий элемент — трехзначное число, обо-
значающее тип прибора. Например: диод КД212А является крем-
ниевым выпрямительным диодом средней мощности, в пласт-
массовом корпусе на металлической подложке.
Рис. 10.12. Вольт-амперная характеристика силового диода
Стабилитрон (опорный диод) — полупроводниковый диод,
у которого на обратной ветви ВАХ имеется участок, располо-
женный в области лавинного пробоя. Этот рабочий участок ста-
билитрона характеризуется слабой зависимостью напряжения
от тока (рис. 10.13). В качестве материала для изготовления р-п
перехода стабилитрона используется кремний, т.к. кремниевые
р-п переходы имеют небольшие обратные токи, а переход в об-
ласть пробоя резкий, проходящий практически параллельно оси
токов. Прямая ветвь ВАХ стабилитрона почти не отличается от
прямой ветви выпрямительного диода.
Стабилитроны кроме стабилизации напряжения могут быть
использованы как ограничители в импульсных схемах.
242
I
max
Рис. 10.13. Волып-ампериая
характеристика стабилитрона
(а); условное графическое
изображение стабилитрона (б)
Основными параметрами стабилитронов являются:
-	напряжение стабилизации Ucm,
-	допустимый ток через стабилитрон 1ст дт,
-	температурный коэффициент напряжения стабилизации
(ТКН).
Условное обозначение стабилитрона включает: материал
проводника {К — кремний); обозначение подкласса стабилит-
ронов, например, буква С; цифру, указывающую на мощность
стабилитрона; две цифры, соответствующие напряжению ста-
билизации; букву, указывающую особенность конструкции или
корпуса. Например: стабилитрон КС196Б является кремниевым
243
стабилитроном, прецизионным (высокоточным), маломощным,
напряжение стабилизации 9,6 В, в герметичном металлическом
корпусе со стеклянным изолятором.
Для стабилизации напряжений от (0,7-1,9) В применяют спе-
циальные полупроводниковые приборы, называемые стабисто-
рами, которые используют прямую ветвь ВАХ.
Туннельный диод — полупроводниковый прибор с отрица-
тельным сопротивлением, характерной особенностью которо-
го является малая чувствительность к изменению внешней тем-
пературы.
Отличие туннельных диодов заключается в очень высокой
концентрации примесей, тонком электронно-дырочном перехо-
де в туннельном прохождении тока через р-п переход.
Большое количество примесных атомов образует достаточ-
но много свободных энергетических состояний. Поэтому про-
цесс прохождения тока в сильно легированных полупроводни-
ковых веществах мало зависит от температуры и внешнего об-
лучения. Наличие участка отрицательного сопротивления на
ВАХ туннельного диода является его особенностью (рис. 10.14).
В обычном сопротивлении, которое можно назвать положитель-
ным, при увеличении величины напряжения увеличивается ток
и, соответственно, количество энергии, превращающейся в теп-
ло. В отрицательном сопротивлении увеличение напряжения
приводит к уменьшению тока и уменьшению рассеиваемой энер-
гии. Например, в колебательном контуре всегда имеются поте-
ри, из-за этого колебания затухают. Если же параллельно кон-
туру включать отрицательное сопротивление, то оно будет спо-
собствовать восполнению потерь энергии в контуре, причем
синхронно с изменением напряжения на контуре. В этом состо-
ит принцип действия большинства устройств, использующих
полупроводниковые диоды с туннельным эффектом.
Область применения туннельных диодов в электронной ап-
паратуре значительно расширяется. Это определяется рядом их
преимуществ. Туннельные диоды практически безынерционны,
имеют высокую температурную стабильность, мало чувствитель-
ны к радиоактивному облучению, так как концентрация носи-
244
телей тока очень велика и относительное изменение их количе-
ства под действием энергии, сообщенной радиоактивным излу-
чением, оказывается несущественным.
участок .
отрицательного
сопротивления

Рис. 10.14. ВАХ туннельного диода (а; условное графическое
обозначение туннельного диода на электрических схемах (б)
Фотодиод представляет собой диод с открытым р-п перехо-
дом. Световой поток Ф, падающий на открытый р-п переход,
приводит к появлению в одной из областей дополнительных
неосновных носителей зарядов, в результате увеличивается об-
ратный ток (рис. 10.15). Схема включения фотодиода показана
на рис. 10.16. Напряжение на нагрузке определяется как разность
напряжения источника питания и напряжения на фотодиоде: UH
= Е~ифд.
Фотодиоды находят применение в качестве приемников оп-
тического излучения. Основными параметрами фотодиодов яв-
ляются: диапазон длин волн принимаемого изучения, интеграль-
ная чувствительность и темповой ток. Большинство фотодио-
дов имеет интегральную чувствительность в пределах (10 3 - 1)
мкА/лм. Темповой ток зависит от площади р-п перехода и обыч-
но имеет значение (102 - 1) мкА. В связи со сравнительно не-
большим уровнем выходного сигнала фотодиоды используют-
ся совместно с усилителем.
245
I
Рис. 10.15. ВАХ фотодиода (а); условное графическое обозначение
диода (б)
б
Рис. 10.16. Схема включения фотодиода
246
Светоизлучающие диоды (рис. 10.17, а) преобразуют элект-
рическую энергию в световую за счет рекомбинации (объедине-
ния) электронов и дырок. В обычных диодах процесс рекомби-
нации происходит с выделением тепла, а в светодиодах преоб-
ладает рекомбинация с излучением света. Обычно такое излуче-
ние бывает резонансным и лежит в узкой полосе частот (рис.
10.17, б). Для изготовления светодиодов применяют фосфид гал-
лия (GaP) и карбид кремния (SIC), а также некоторые тройные
соединения, называемые твердыми растворами, состоящие из
галлия, алюминия и мышьяка (GaAlA^), или галлия, мышьяка и
фосфора (GaA^P). Диоды инфракрасного (ИК) излучения изго-
тавливают из арсенида галлия (GaAs).
б
Рис. 10.17. Спектральные характеристики излучения светодиодов
(а); условное графическое изображение светодиода (б); условное
графическое изображение двухкристального светодиода (в)
Германий и кремний непригодны для изготовления светоди-
одов, так как у них ширина запрещенной зоны слишком мала
(зона, где электроны не могут находиться).
Светодиоды широко используются в бытовой радиоэлектрон-
ной аппаратуре в качестве индикаторов, ИК-диоды использу-
ются в телевизионных пультах дистанционного управления, ох-
ранных системах, датчиках объема, в портах передачи данных,
например, в ИК-порте сотового телефона.
247
Для сигнализации о состоянии автоматического процесса,
степени готовности к работе аппаратуры, логическом уровне
напряжения и в ряде других практических случаев, часто исполь-
зуют двухкристальные светодиоды (рис. 10.17, в).
10.11.	Транзисторы
Транзистор (от англ, transfer — переносить и resistor — со-
противление) — полупроводниковый прибор с тремя или более
выводами, предназначенный для усиления, генерирования и
преобразования электрических колебаний, коммутации сигна-
лов и т.д. От электронных ламп, выполняющих те же функции,
транзисторы отличаются миниатюрностью, высокой экономич-
ностью потребления электрической энергии, большой механи-
ческой прочностью и долговечностью, мгновенной готовностью
к работе. Транзистор является важнейшим элементом современ-
ной электроники. По принципу действия транзисторы разделя-
ются на два класса: биполярные и униполярные (полевые). В
биполярных транзисторах ток в проводящей области содержит
как положительные зарядоносители, так и отрицательные (элек-
троны). В униполярных транзисторах ток через проводящую
область определяется зарядоносителями только одного знака.
По мощности рассеяния Ррас (допустимое значение мощнос-
ти потерь, рассеиваемой транзистором без применения допол-
нительного теплоотвода), различаются транзисторы малой (Р <
< 0,3 Вт), средней (0,3 Вт < Р < 1,5 Вт) и большой мощности
(Р >1,5 Вт). По диапазону частот различаются низкочастот-
ные (предельно допустимая частота f < 3 МГц), среднечастотные
(3 МГц </<30 МГц), высокочастотные (30 МГц <f< 300 МГц) и
сверхвысокочастотные (f > 300 МГц) транзисторы.
Биполярные транзисторы (триоды) представляют собой кри-
сталлы германия или кремния с тремя чередующимися областя-
ми электронного или дырочного типов электрической прово-
димости, разделенными двумя электронно-дырочными перехо-
дами (рис. 10.18, а, г). Таким образом, биполярный транзистор
можно представить состоящим из двух диодов (рис. 10.18, б, д).
248
Рис. 10.18. Схема включения р-п-р транзистора по постоянному току
(а); схема замещенияр-п-р транзистора (б); условное графическое
обозначение (в); схема включения п-р-п транзистора по постоянному
току (г); схема замещения п-р-п транзистора (д); условное
графическое обозначение (е).
В диоде (см. рис. 10.18, б), работающем в запирающем на-
правлении, обратный ток — это ток неосновных носителей за-
ряда. При изменении приложенного к диоду напряжения от весь-
ма малых величин до пробивного напряжения этот ток практи-
чески остается неизменным и имеет относительно небольшую
величийу. Если к диоду, работающему в запирающем направле-
нии, включать последовательно еще один диод, но в прямом на-
правлении, то возможно увеличение обратного тока. Эта идея
лежит в основе работы транзисторов. Условные графические
обозначения транзисторов приведены на рис. 10.18, в, е.
249
Рассмотрим принцип действия плоскостных германиевых
триодов. В триоде две области германия p-типа разделены сло-
ем германия и-типа (см. рис. 10.18, а). С помощью электродов в
воде металлических пластин, называемых эмиттером (Э), базой
(Б) и коллектором (К), эти три области соединяются с внешней
электрической цепью. Напряжение батареи, включенной между
базой и эмиттером, снижает потенциальный барьер в р-п пере-
ходе от эмиттерной области к области базы, так как эта батарея
включена в прямом (способствующем прохождению прямого
тока) направлении. Напряжение батареи, включенной между
базой и коллектором, увеличивает потенциальный барьер в р-п
переходе от области базы к области коллектора, так как эта ба-
тарея включена в обратном (запирающем) направлении.
Снижение потенциального барьера между эмиттерной обла-
стью и областью базы вызывает движение дырок из области
эмиттера в область базы (в область п). Ввиду малой толщины
слоя п германия почти все дырки, прошедшие в этот слой из
области эмиттера, продрейфуют через всю толщину слоя до сле-
дующего п-р перехода и свободно пройдут через этот переход в
область коллектора, так как электрическое поле в этом перехо-
де не препятствует, а, наоборот, способствует движению дырок
слева направо. Этому движению дырок способствует и напря-
жение батареи, включенной между базой и коллектором.
В слое п будет иметь место рекомбинация некоторого коли-
чества дырок со свободными электронами этого слоя, что при-
ведет к небольшому снижению тока в коллекторе, по сравнению
с таким в эмиттере, вследствие ответвления небольшой части
тока эмиттера в базу. Кроме того, должен иметь место элект-
ронный ток из области базы в область эмиттера, но при пра-
вильном конструировании триода этот ток значительно мень-
ше тока, обусловленного движением дырок. Электронный ток
создает дополнительную составляющую тока через базу и, со-
ответственно, несколько увеличивает ток в эмиттере.
Возможны три схемы включения транзисторов р-п-р типа и
п-р-п типа с общей базой ОБ, с общим эмиттером ОЭ и с общим
250
коллектором ОК (рис. 10.19). Название схемы показывает, ка-
кой электрод транзистора является общим для входной и вы-
ходной цепей. Схемы включения транзисторов отличаются сво-
ими свойствами, но принцип усиления колебаний остается оди-
наковым.
В схеме с общей базой положительное приращение напряже-
ния на входе Al/ev вызывает увеличение тока эмиттера /, что
приводит к увеличению как тока коллектора 1к, так и напряже-
ния выхода ^Овых, причем ЬЛ1вых 3> Д77^ В схеме с ОБ источник
входного напряжения включен в цепь эмиттер-база, а нагрузка
и источник питания — в цепь коллектор-база. Входное сопро-
тивление схемы с ОБ незначительно (несколько Ом или десят-
ков Ом), так как эмиттерный переход включен в прямом направ-
лении. Выходное сопротивление схемы, наоборот, велико (сот-
ни кОм), так как коллекторный переход включен в обратном
направлении. Малое входное сопротивление схемы с ОБ явля-
ется существенным ее недостатком, ограничивающим примене-
ние ее в усилителях. Через источник входного сигнала в этой
схеме проходит весь ток эмиттера, и усиления по току не проис-
ходит (коэффициент усиления по току а =	< 1). Усиление по
напряжению и по мощности в этой схеме может достигать не-
скольких сотен.
В схеме с общим эмиттером ОЭ источник входного напряже-
ния включен в цепь эмиттер — база, а сопротивление нагрузки
Rit и источник питания — в цепь эмиттер — коллектор, поэтому
эмиттер является общим электродом для входной и выходной
цепей. Входное сопротивление схемы с ОЭ больше, чем у схемы
с ОБ, так как входным током в ней является ток базы, который
много меньше тока эмиттера и тока коллектора. Это сопротив-
ление составляет сотни Ом. Выходное сопротивление схемы с
ОЭ может достигать 100 кОм. Коэффициент усиления по току Р
в этой схеме определяется как отношение приращения тока кол-
лектора Д/.к приращению тока базы Ы6 при постоянном напря-
жении на коллекторе, т.е. Р = М/Ы. при 77. = const и может иметь
значение Р = 10 -е- 200 для различных транзисторов. Коэффици-
251
NJ
СЛ
NJ
Рис. 10.19. Схема включения с общей базой, общим эмиттером,
общим коллектором: а — р-п-р; б — п-р-п
ент усиления по напряжению Kv для схемы с ОЭ того же поряд-
ка, что и для схемы с ОБ.
В схеме с общим коллектором ОК источник входного напря-
жения включается в цепь базы, а источник питания и сопротив-
ление нагрузки — в цепь эмиттера. Входным током является ток
базы, а выходным — ток эмиттера. Коэффициент усиления по
току для этой схемы К - Ы/Ы.. Входное сопротивление схемы с
ОК велико (десятки кОм), а выходное сопротивление незначи-
тельно, до (1 + 2) кОм. Коэффициент усиления по напряжению
схемы с общим коллектором ОК Ки = 0,9 0,95, т.е. близок к
единице, поэтому эту схему называют эмиттерным повторите-
лем и используют для согласования отдельных каскадов усиле-
ния, источника сигнала или нагрузки с усилителем.
Свойства каждого транзистора определяются статическими
ВАХ. Первое семейство характеристик — зависимость тока вход-
ной цепи (цепи управления) от напряжения между электродами
транзистора, включенными во входную цепь I6 =	при U -
const (рис. 10.20, а). В отличие от схемы с ОБ входные характе-
ристики в схеме с ОЭ смещаются под действием коллекторного
напряжения вправо вниз. При малых значениях напряжения
между эмиттером и базой ток базы растет медленно вследствие
большого сопротивления р-п перехода, которое с увеличением
тока уменьшается. С увеличением Ux необходимо повысить на-
пряжение U3. для того, чтобы ток базы остался неизменным.
Второе семейство характеристик — зависимость тока выходной
цепи от напряжения между электродами транзистора, включен-
ными в выходную цепь /. = f(U ) при I. = const (рис. 10.20, б).
Выходные характеристики показывают, что напряжение U не-
значительно влияет на коллекторный ток так как в основном
он зависит от тока базы.
Полевой (униполярный или канальный) транзистор — это
полупроводниковый прибор, в котором управление выходным
током осуществляется электрическим полем изменением прово-
димости проводящего канала. Принцип работы основан на уп-
равлении движением носителей только одного знака (основных
носителей), в отличие от биполярных транзисторов, в которых
253
Рис. 10.20. Статические характеристики транзистора типа р-п-р,
включенного по схеме с общим эмиттером: а — входные;
б — выходные
физические процессы связаны с движением носителей зарядов
обоих знаков (основных и неосновных).
По проводимости канала полевые транзисторы делятся на два
типа: транзисторы с каналом p-типа и и-типа.
В зависимости от выполнения затвора полевые транзисторы
бывают двух видов: с управляющим р-п переходом и изолиро-
ванным затвором (МДП-транзисторы).
Полевой транзистор с р-п переходом состоит из полупровод-
никового материала п- или /?-типа (рис. 10.21), образующего то-
копроводящий канал с двумя электродами. Электрод, от кото-
рого при приложении напряжения начинают двигаться основ-
ные носители заряда, называется истоком, а электрод, к которо-
му они двигаются, называется стоком. В центральной части ка-
нала с пластиной полупроводника создается р-п переход с выво-
дом от наружной области. Наружная область р-п перехода яв-
ляется третьим электродом полевого транзистора и называется
затвором.
Сопротивление канала зависит от материала полупроводни-
ка, концентрации примесей в нем, а также от его сечения и дли-
ны. Для эффективного управления каналом управляющий р-п
переход делают резко несимметричным, чтобы запирающий слой
254
a
Рис. 10.21. Условное обозначение полевого транзистора
с управляющимр-п переходом: с каналом п-типа (а);
с каналом p-типа (б)
в основном располагался в толще полупроводниковой пласти-
ны (канала), т.е. концентрация основных носителей в затворе
много больше, чем в канале.
Если приложить напряжение между стоком и истоком, то в
цепи стока потечет ток I, величина которого при постоянных [7
и Rh зависит от сопротивления канала (рис. 10.22).
Рис. 10.22. Полевой транзистор с управляющим р-п переходом
и каналом п-типа: а — схематическое устройство;
б — схема включения по постоянному току
Если между затвором и истоком, т.е. на р-п переход извне
подать запирающее напряжение [7, то под его воздействием уве-
личится ширина р-п перехода, что приведет к уменьшению про-
водимости канала, а следовательно, и к увеличению его элект-
рического сопротивления. В результате уменьшится ток стока
Uc. При некотором обратном напряжении сопротивление р-п
255
перехода может настолько увеличиться, что токопроводящий
канал окажется полностью перекрыт и величина тока стока об-
ратится в нуль. Это напряжение Utn называется пороговым на-
пряжением отсечки. Таким образом, изменяя обратное напря-
жение U3, можно управлять величиной выходного тока /. На
этом принципе основано действие полевого транзистора.
Выходные (стоковые) характеристики полевого транзистора
— это зависимость тока стока I от напряжения между стоком и
истоком U при постоянных значениях напряжения между зат-
вором и исток-ом U3, Ic = при U: = const (рис. 10.23, а).
Рис. 10.23. Характеристики полевого транзистора с управляющим р^п
переходом: а — стоковые: б — стоко-затвориая
Рассмотрим стоковую характеристику при U = 0. При малых
значениях U ток стока изменяется почти пропорционально (/.
Наклон этого участка характеристики определяется сопротив-
лением полностью открытого канала. По мере увеличения Uc
рост тока / замедляется вследствие уменьшения ширины стоко-
вого участка канала и значительного увеличения его сопротив-
ления. В точке U = U (напряжение насыщения) ток стока до-
стигает насыщения 1стс, и дальнейшее увеличение напряжения
почти не вызывает изменения тока Л При дальнейшем увеличе-
256
нии Ut - U возникает электрический пробой стокового учас-
тка р-п перехода, и ток 7 резко возрастает. Этот участок харак-
теристики является нерабочим. Если на затвор подано обрат-
ное напряжение, то перекрытие канала наступает при меньших
значениях напряжения стока.
Стоко-затворная характеристика / =Д Ц) при С = const по-
левого транзистора с управляющим р-п переходом приведена на
рис. 10.23, б. Так как полевой транзистор обычно в усилитель-
ных каскадах работает при Uc > U , то рассмотрим характери-
стику 7 -f(U) для одного значения U . Для остальных значе-
ний Uc > Umc характеристики 7 = fiJJ) практически не отлича-
ются от характеристики, снятой при Uciuk. Изменение напряже-
ния на затворе от порогового значения до нуля вызывает плав-
ное увеличение тока стока вследствие увеличения проводимос-
ти канала.
Характеристика полевого транзистора по внешнему виду
напоминает характеристики пятиэлектродной электронной лам-
пы — пентода. Поэтому для расчета схем на полевых транзис-
торах используют методику расчета схем на электронных лам-
пах, ранее уже разработанную.
В настоящее время широкое распространение получили по-
левые транзисторы с изолированным затвором — МДП-тран-
зисторы (металл-диэлектрик-полупроводник), иначе их называ-
ют МОП-транзисторы (металл-окисел-полупроводник). Струк-
тура МДП-транзисторов широко применяется при изготовле-
нии микроэлектронных приборов.
Физические процессы, происходящие в канальном транзис-
торе МДП-структуры, отличны от процессов, происходящих в
канальном транзисторе с управляющимр-п переходом. Рассмот-
рим контактные явления, происходящие в поверхностном слое
полупроводника структуры металл-диэлектрик-полупроводник
при воздействии на него электрического поля (рис. 10.24).
Если к металлу подвести положительный вывод, а к полупро-
воднику — отрицательный вывод внешнего источника напряже-
ния (рис. 10.24, а), то металл зарядится положительно, а полупро-
водник — отрицательно. В результате основные носители полу-
9. Электротехника и электроника
257
полупроводник п-типа
диэлектрик
258
Рис. 10.24. Воздействие электрического поля иа МДП-структуру
п-типа и образование: а — обогащенного слоя; б — обедненного слоя; в — инверсного слоя
проводника — электроны — начнут притягиваться к поверхнос-
ти раздела полупроводника и диэлектрика, а неосновные носите-
ли — дырки — отталкиваться от поверхности раздела.
Так как концентрация основных носителей в полупроводни-
ке значительно выше, чем неосновных, то на границе раздела
металл-полупроводник за счет избытка основных носителей
образуется слой, обогащенный носителями зарядов с небольшим
сопротивлением.
Если изменить полярность внешнего напряжения и подклю-
чить минус источника напряжения к металлу, а плюс — к полу-
проводнику (рис. 10.24, б), то металл зарядится отрицательно, а
полупроводник — положительно. В этом случае основные но-
сители — электроны — будут отталкиваться, а неосновные но-
сители — дырки — притягиваться к границе раздела полупро-
водника и диэлектрика. При определенном значении напряже-
ния концентрация основных носителей электронов в приконтак-
тном слое, уменьшаясь, достигнет концентрации дырок. Умень-
шение концентрации электронов до концентрации собственно-
го полупроводника приведет к увеличению его сопротивления
и образованию слоя, обедненного носителями заряда (обеднен-
ного слоя).
При увеличении отрицательного напряжения (рис. 10.24, в)
электрическое поле между металлом и полупроводником уси-
лится и более интенсивно основные носители — электроны —
будут отталкиваться от границы раздела диэлектрика и полу-
проводника, и одновременно больше неосновных носителей —
дырок — будет притягиваться к границе этого раздела, концен-
трация которых при определенном значении напряжения у гра-
ницы раздела может стать больше, чем концентрация основных
носителей. При этом в приконтактной области диэлектрик-по-
лупроводник образуется слой с дырочной проводимостью, т.е.
проводимостью, свойственной полупроводникам p-типа. В этом
случае говорят о возникновении инверсного слоя. Толщина ин-
версного слоя растет с увеличением абсолютного значения от-
рицательного напряжения. Таким образом, инверсный слой с
высокой дырочной проводимостью ограничен с одной стороны
259
NJ
CD
О
p-типа
Рис. 10.25. Устройство МДП-транзистора:
а) с индуцированным каналом; б) с встроенным каналом
диэлектриком, а с другой стороны -— высокоомным слоем соб-
ственного полупроводника. Этот высокоомный слой можно рас-
сматривать как запирающий слой р-п перехода, возникающий
на границе раздела полупроводников с различными проводи-
мостями. Все рассмотренное выше относительно полупровод-
ника и-типа справедливо для полупроводника /?-типа.
В МДП-транзисторах, в отличие от полевых транзисторов с
управляющим р-п переходом, затвор изолирован от канала тон-
ким слоем диэлектрика. В качестве диэлектрика обычно исполь-
зуются окислы (например, SiO2). МДП-транзисторы имеют две
разновидности: с индуцированным каналом и встроенным ка-
налом.
Основой МДП-транзистора с индуцированным каналом слу-
жит пластинка (подложка) из слаболегированного полупровод-
ника — кремния с n-проводимостыо (рис. 10.25, а). Сток и исток
обладают проводимостью типа р. Электрод затвора изолиро-
ван от полупроводниковой области тонким слоем диэлектрика
SiOr
Подложку обычно соединяют с истоком. Сток и исток с под-
ложкой образуют два р-п перехода, а при любой полярности
приложенного напряжения между стоком и истоком один из
переходов оказывается включенным в обратном направлении,
и ток стока практически равен нулю.
Если подать отрицательное напряжение между затвором и
подложкой и постепенно увеличивать по абсолютной величине,
то концентрация основных носителей на поверхности полупро-
водника начнет уменьшаться, и вблизи поверхности образуется
слой, обедненный основными носителями заряда. Однако это
не приводит еще к образованию токоприводящего канала (см.
рис. 10.24, б). При дальнейшем увеличении отрицательного на-
пряжения между затвором и подложкой и достижения некото-
рого порогового значения [7 у поверхности полупроводника
образуется инверсный срок с проводимостью типар (см. рис. 10.24,
в), толщина которого увеличивается при увеличении отрицатель-
ного напряжения, подводимого к затвору.
261
Инверсный слой p-типа соединяет /7-область стока и истока и
образует токопроводящий канал между ними.
В этом случае, если между истоком и стоком приложено на-
пряжение, то через канал протекает ток стока, величина кото-
рого будет зависеть от сопротивления канала. Пороговое на-
пряжение затвора U аналогично напряжению отсечки поле-
вого транзистора с управляющим р-п переходом. Так как воз-
никновение и увеличение инверсной проводимости канала про-
исходит при обогащении дырками поверхностного слоя полу-
проводника, то считают, что транзистор работает по принципу
обогащения.
Если теперь на затвор относительно подложки подать поло-
жительное напряжение, то это приведет к еще большему обога-
щению электронами проводимости поверхности слоя полупро-
водника и обеднению дырками, токопроводящего канала меж-
ду стоком и истоком не возникает. Поэтому транзистор по прин-
ципу обеднения канала не работает.
Другой разновидностью канального транзистора с изолиро-
ванным затвором является МДП-транзистор с встроенным ка-
налом (рис. 10.25, б). У транзистора этого типа канал, соединя-
ющий сток и исток, получается технологическим путем и отли-
чается тем, что имеет собственный проводящий канал. Эти тран-
зисторы могут работать как в режиме обогащения канала, так и
в режиме обеднения.
Таким образом, полевые транзисторы с встроенным каналом,
в отличие от транзисторов с р-п переходом и индуцированным
каналом, могут работать при нулевом, положительном или от-
рицательном смещении затвора. Для сравнения стоковые харак-
теристики 7 = flJJ) при U3 = const для полевых транзисторов с
встроенным каналом показаны на рис. 10.26. Параметры поле-
вых транзисторов на МДП-структуре определяются так же, как
и параметры полевых транзисторов с р-п переходом.
На рис. 10.27 показаны условные обозначения МДП-транзи-
сторов с изолированным затвором. Канал транзистора изобра-
жается штриховкой или сплошной линией. Штриховая линия
обозначает индуцированный канал, а сплошная — встроенный.
262
Исток и сток изображаются под прямым углом к каналу. Под-
ложка изображается как электрод со стрелкой, направление ко-
торой указывает тип проводимости канала. Затвор изобража-
ется вертикальной линией, параллельной каналу.
Полевые транзисторы всех типов имеют исключительно низкий
уровень собственных шумов и большое входное сопротивление.
Рис. 10.26. Стоковые характеристики МДП-транзистора
со встроенным каналом
а	б
Рис. 10.27. Условные графические обозначения МДП-транзисторов
с изолированным затвором: а — каналом п-типа; б — каналом р-типа
263
10.12.	Силовые полупроводниковые приборы
Силовые полупроводниковые приборы предназначены для
использования в силовых устройствах — управления электро-
приводом, преобразователях частоты, блоках питания большой
мощности и т.д.
Тиристором называется полупроводниковый прибор, осно-
вой которого служит четырехслойная структура типа р-п-р-п (м-
р-п-р), изготовленный из кремния с тремяр-п переходами. В про-
стейшем случае тиристор имеет два электрода — анод и катод
(рис. 10.28), называется диод тиристором или динистором. Анод
осуществляет электрическую связь с внешней ^-областью, а ка-
тод — с внешней и-областью. Два крайних перехода П} и П3 на-
зывают эмиттерными переходами, средний П2 — коллекторным.
Рис. 10.28. Структура бинистора (а)
и его условное графическое изображение (б)
264
Если динистор подключать к источнику внешнего напряже-
ния, полярностью, показанной на рис. 10.28, а, то два перехода
П] и П3 окажутся смещенными в прямом направлении, a Z7, — в
обратном. Поэтому сопротивление перехода П2 будет значитель-
но больше сопротивлений переходов П{ и 773, и основная часть
питающего напряжения будет приложена к переходу П2. По мере
увеличения анодного напряжения растет и падение напряжений
на переходах и П3, а на переходе П2 уменьшается, ток через
динистор увеличивается (рис 10.29). При некотором значении
внешнего напряжения, называемого напряжением включения
Ueiei, процесс лавинообразно нарастает, ток резко возрастает, но
ограничивается сопротивлением нагрузки R„, и динистор пере-
ходит в режим насыщения (прямолинейный участок характери-
стики). Таким образом, все три перехода оказываются включен-
ными в прямом направлении, и сопротивление динистора и, со-
ответственно, падения напряжения на нем оказываются незна-
чительными. В этом режиме динистор является отпертым, или
включенным. Следовательно, динистор представляет собой пе-
реключающий прибор, имеющий два устойчивых состояния:
включено и выключено.
Если от одной из базовых областей сделать вывод, то получится
управляемый переключающий прибор, называемый триодным
тиристором или тринистором (рис. 10.30). Подавая через управ-
ляющий электрод прямое напряжение на один из переходов, мож-
но увеличить ток через этот переход, следовательно, и общий
анодный ток, что приводит к снижению величины напряжения
включения Ueia. Таким образом, изменяя напряжение на управля-
ющем электроде, можно управлять напряжением включения три-
нистора. При токе управления I = 0 характеристика тринистора
совпадает с характеристикой динистора (рис. 10.31). При токе I
> 0 происходит инжекция носителей из соответствующего эмит-
терного перехода к коллекторному переходу. Чем больше управ-
ляющий ток, тем сильнее инжекция носителей и тем меньше тре-
буется напряжения на тринисторе для его включения. Таким об-
разом, для включения тринистора при заданном напряжении нуж-
но соответственно подобрать значение управляющего тока.
265
Рис. 10.30. Структура трилистора с катодным управлением и его
условное графическое обозначение (а); структура тринистора с
анодным управлением и его условное графическое обозначение (б)
266
Рис. 10.31. Вольт-амперная характеристика тринистора
Рассмотренные тринисторы не запираются с помощью тока
управления. Чтобы тринистор запереть, следует уменьшить
анодный ток до значения ниже I В радиоэлектронной аппа-
ратуре применяются тринисторы, которые можно запереть от-
рицательным импульсом управляющего тока (рис. 10.32).
Рис. 10.32. Условное графическое обозначение запираемого тиристора:
а — с выводом от p-области; б — с выводом от N-области
267
Четырехслойные тиристоры, рассмотренные выше, коммути-
руют токи, протекающие в одном направлении. На переменном
токе применяются многослойные полупроводниковые приборы
— симисторы (симметричные тринисторы), которые при воздей-
ствии напряжений различной полярности могут переключаться
в двух направлениях. Основу таких приборов составляет шести-
слойная структура (рис. 10.33), у которой концевые переходы
П} и 774 соединены металлическими шунтами Ш} и Шг Так как
слой полупроводниковой структуры обладает высоким сопро-
тивлением, крайние переходы П, и П2 оказываются шунтиро-
ванными лишь частично, в области контактов. В области р2 есть
участок пь, обладающий электронной проводимостью. Между
слоями р2 и и3 образуется электронно-дырочный переход П5.
Рис. 10.33. Структура симистора (а) и его условное графическое
обозначение (б)
При приложении напряжения в цепи прибора с отрицатель-
ной полярностью на вывод А, а положительной — на вывод В
переход П4 закрыт, ток проходит через слои п}-р2-п2-рА. Подача
положительного управляющего импульса на управляемый элек-
трод УЭ вызывает отпирание прибора как обычного четырех-
слойного тринистора. При этом шестой слой п6 не оказывает
влияния на работу прибора.
268
В случае приложения к цепи симистора напряжения проти-
воположной полярности переход П} смещается в обратном на-
правлении, и напряжение оказывается приложенным к слоям р -
п3-р4-п5. При подаче на управляющий электрод импульса поло-
жительной полярности переход П5 смещается в прямом направ-
лении, и электроны, инжектируемые из слоя п6 в слой р2, выбра-
сываются полем перехода П2 в слой п3, понижая его потенциал.
Это вызывает инжекцию из слоя р2 дырок, которые, пройдя слой
п3, попадают в закрытый переход 773 и способствуют переводу
структуры р2-п}-р4-п5 в проводящее состояние.
Вольт-амперная характеристика состоит из двух почти сим-
метричных относительно начала координат ветвей, аналогич-
ных прямой ветви четырехслойного тринистора (рис. 10.34).
Рис. 10.34. Вольт-амперная характеристика симистора
Симисторы применяют для фазового регулирования мощно-
сти переменного тока, а также для работы в бесконтактной ком-
мутационной и регулирующей аппаратуре.
269
10.13.	Полупроводниковые оптоэлектронные
приборы
Работа различных полупроводниковых приемников излуче-
ния основана на использовании внутреннего фотоэффекта, ко-
торый заключается в том, что под действием излучения в полу-
проводниках происходит генераций пар носителей заряда —
электронов и дырок. Эти дополнительные носители увеличива-
ют электрическую проводимость. Такая добавочная проводи-
мость, обусловленная действием фотонов, получила название
фотопроводимости. Простейший приемник излучения — фото-
резистор, — одинаково проводящий ток в обоих направлениях.
В некоторых приборах под действием излучения (фотодио-
ды, фототранзисторы) за счет фотогенерации электронов и ды-
рок возникает э.д.с., которую называют фото-э.д.с.
При подаче прямого напряжения на двухслойный полупро-
водник происходит рекомбинация электронов и дырок с обра-
зованием фотонов (явление инжекционной электролюминесцен-
ции). Это явление используют в светоизлучающих диодах (см.
параграф 10.10).
Фоторезистор — полупроводниковый резистор, изменяющий
свое сопротивление под действием излучения. Устройство фо-
торезистора показано на рис. 10.35. На диэлектрическую плас-
тину J нанесен тонкий слой полупроводника 2 с контактами 3.
Рис. 10.35. Устройство фоторезистора: 1 — диэлектрическая
пластина; 2 — слой полупроводника; 3 — контакты
270
Схема включения фоторезистора приведена на рис. 10.36, а.
Полярность источника питания может быть любой. Если облу-
чение отсутствует, то фоторезистор имеет сопротивление Rm —
(104—107) Ом, называемое темновым. Оно является одним из ос-
новных параметров фоторезистора. Соответствующий ток че-
рез фоторезистор называют темновым током. При действии из-
лучения с достаточной энергией фотонов на фоторезистор, в нем
происходит генерация пар подвижных носителей заряда, и его
сопротивление уменьшается.
Рис. 10.36. Схема включения фоторезистора (а); вольт-амперная
характеристика фоторезистора (б); энергетическая
характеристика фоторезистора (в) .
Фоторезисторы характеризуются интегральной чувственно-
стью
S = 1ф/Ф, [мкА/лм],
где I — фототок, мкА;
Ф — световой поток, лм.
Фоторезисторы имеют линейную ВАХ и нелинейную энерге-
тическую характеристику (рис. 10.36, б и в).
Фотодиоды служат для преобразования энергии излучения в
электрическую энергию (рис. 10.37, а). Фотоны, воздействуя на
п-р переход и прилегающие к нему области, вызывают генера-
цию пар носителей заряда. Возникшие в п- и /(-областях элект-
271
роны и дырки диффундируют к переходу, и если они не успели
рекомбинировать, то попадают под действие внутреннего элек-
трического поля, имеющегося в переходе. Это поле также дей-
ствует и на носители заряда, возникающие в самом переходе.
Поле разделяет электроны и дырки. Для неосновных носителей,
например, для электронов, возникших в p-области, поле пере-
хода является ускоряющим. Оно перебрасывает электроны в п-
область. Аналогично, дырки перебрасываются полем из п-об-
ласти в /г-область. Для основных носителей, например, дырок в
/>-области, поле перехода является тормозящим, и эти носители
остаются в своей области, т.е. дырки остаются в p-области, а
электроны — в «-области.
Рис. 10.37. Схема включения фотодиода (а) и его характеристика (б)
В результате этого процесса в п- и p-областях накапливаются
избыточные основные носители, т.е. создаются соответственно
заряды электронов и дырок и возникает разность потенциалов,
которую называют фото-э.д.с. С увеличением светового потока
фото-э.д.с. растет по нелинейному закону (рис. 10.37, б). Значе-
ние э.д.с. может достигать нескольких десятых долей вольта. При
включении полупроводникового фотоэлемента на нагрузку воз-
никает фототок
Е.
I =----—
Ф
где Rm — внутреннее сопротивление фотоэлемента.
272
В настоящее время широкое распространение получили крем-
ниевые фотоэлементы, используемые в качестве солнечных пре-
образователей. Они преобразуют энергию солнечных лучей в
электрическую. Из таких элементов путем их последовательно-
го и параллельного соединения создаются солнечные батареи,
развивающие мощность до нескольких киловатт. Солнечные
батареи являются основными источниками питания на косми-
ческих кораблях, автоматических метеостанциях, телевизионных
спутниках и т.д.
Фоторезисторы обладают более высокой интегральной чув-
ствительностью, чем фотодиоды. Биполярный фототранзистор
представляет собой обычный транзистор, в корпусе которого
сделано прозрачное окно, через которое световой поток может
воздействовать на область базы (рис. 10.38, а).
Рис. 10.38. Схема включения биполярного фототранзистора (а)
и его выходные характеристики (б)
Фотоны вызывают в базе генерацию пар носителей заряда —
электронов и дырок. Они диффундируют к коллекторному пе-
реходу, в котором происходит их разделение так же, как и в фо-
тодиоде. Дырки под действием поля коллекторного перехода
перемещаются из базы в коллектор и увеличивают ток коллек-
тора, а электроны остаются в базе и повышают прямое напря-
жение эмиттерного перехода, что усиливает инжекцию дырок в
273
этом переходе. За счет этого дополнительно увеличивается ток
коллектора.
Интегральная чувствительность у фототранзистора в десят-
ки раз больше, чем у фотодиода, и может достигать сотен мил-
лиампер на люмен. Фототранзистор со свободной базой имеет
низкую температурную стабильность. Для устранения этого не-
достатка применяют схемы стабилизации, при этом использу-
ется вывод базы. На этот вывод можно также подавать посто-
янное напряжение смещения и электрические сигналы.
Выходные характеристики фототранзистора показаны на рис.
10.38, 6. Различные кривые соответствуют различным значени-
ям светового потока, а не тока базы. Штриховые участки харак-
теристик показывают, что при повышенном напряжении э
возникает электрический пробой.
На практике применяются еще и составные фототранзисто-
ры. Составной фототранзистор — это фототранзистор, соеди-
ненный с обычным транзистором. Составной транзистор имеет
коэффициент усиления тока 0, равный произведению коэффи-
циентов усиления двух транзисторов 0Д. В результате интег-
ральная чувствительность у составного фототранзистора полу-
чается в тысячу раз больше, чем у фотодиодов. Высокая чув-
ствительность и быстродействие достигаются при сочетании
фотодиода с высокочастотным транзистором.
Кроме биполярных фототранзисторов в качестве приемни-
ков излучения используются и полевые фототранзисторы. На
рис. 10.39 показан полевой фототранзистор с каналом «-типа.
При облучении «-канала в нем и в прилегающей к нему p-облас-
ти (затворе) генерируются электроны и дырки. Переход между
«-каналом и р-областыо находится под обратным напряжени-
ем, и поэтому под действием поля этого перехода происходит
разделение носителей заряда. В результате возрастает концент-
рация электронов в n-канале, уменьшается его сопротивление и
увеличивается концентрация дырок в p-области. Ток канала (ток
стока) возрастает. Возникает фототок в цепи затвора, который
создает падение напряжение на резисторе R3am, за счет чего умень-
шается обратное напряжение на управляющем переходе канал-
274
затвор. Это в свою очередь приводит к уменьшению сопротив-
ления канала и возрастанию тока стока. Таким образом осуще-
ствляется управление током стока световой энергией.
Рис. 10.39. Схема включения полевого фототранзистора
МДП-фототранзисторы с индуцированным каналом имеют
полупрозрачный затвор, через который освещается область по-
лупроводника под затвором. В этой области происходит фото-
генерация носителей заряда. За счет этого изменяется значение
порогового напряжения, при котором возникает индуцирован-
ный канал, а также крутизна, являющаяся основным парамет-
275
ром такого транзистора. На затвор иногда подают постоянное
напряжение для установления начального режима.
Фототринисторы и фотосимисторы — это тринисторы и си-
мисторы с фотоуправлением, применяются в различных авто-
матических схемах, в качестве бесконтактных ключей для ком-
мутации мощных устройств. Основными достоинствами таких
схем являются малое потребление энергии, малые габариты,
отсутствие искрения, малое время включения и выключения на-
грузки.
Полупроводниковый прибор, в котором конструктивно объе-
динены источник и приемник излучения, имеющие между собой
оптическую связь, называется оптроном. В источнике излуче-
ния электрические сигналы преобразуются в световые, которые
воздействуют на фотоприемник и создают в нем электрические
сигналы. Если оптрон имеет только один излучатель и один при-
емник излучения, то его называют оптопарой. Микросхема, со-
стоящая из одной или нескольких оптопар с дополнительными
согласующими и усилительными устройствами, называется оп-
тоэлектронной интегральной микросхемой. Вход оптрона и его
выход электрически не связаны, связь входа и выхода осуществ-
ляется световым сигналом. Цепь излучателя является управля-
ющей, а цепь фотоприемника — управляемой.
Достоинствами оптронов являются отсутствие электрической
связи между входом и выходом, высокая помехозащищенность
оптического канала, хорошая совместимость оптронов с други-
ми полупроводниковыми и микроэлектронными приборами.
Оптроны состоят из излучателя 1 и приемника излучения 2,
которые помещаются в корпус и заливаются оптически прозрач-
ным клеем 3 (рис. 10.40, а). Для использования в микросхемах
выпускаются миниатюрные бескорпусные оптроны. Особую
конструкцию имеют оптопары с открытым оптическим каналом.
У них между излучателем 1 и фотоприемником 2 имеется воз-
душный зазор (рис. 10.40, б), в котором может перемещаться
светонепроницаемая преграда, например, перфолента с отвер-
стиями, с помощью которой можно управлять световым пото-
ком. В другом варианте оптопар с открытым каналом (рис. 10.40,
276
277
1
в
а
Рис. 10.40. Устройство оптопар: а — в герметичном корпусе;
бив — с открытым оптическим каналом
в) световой поток излучателя 1 попадает в фотоприемник 2, от-
ражаясь от какого-либо внешнего объекта.
Рассмотрим различные типы оптопар, отличающиеся друг от
друга фотоприемниками.
Резисторные оптопары имеют в качестве излучателя свето-
диоды, дающие видимое или инфракрасное излучение. Прием-
ником излучения является фоторезистор, который может рабо-
тать как на постоянном, так и на переменном токе. Для хоро-
шей работы оптопары необходимо согласование излучателя и
фоторезистора по спектральным характеристикам.
На рис. 10.41, а изображена резисторная оптопара (светодиод
и фоторезистор), у которой выходная цепь питается от источни-
ка постоянного (или переменного) напряжения Е и имеет нагруз-
ку Rn. Напряжение U , подаваемое на светодиод, управляет то-
ком в нагрузке. Цепь управления (цепь излучателя) изолирована
от фоторезистора, который может быть включен в цепь относи-
тельно высокого напряжения. В качестве параметров резисторных
оптопар обычно указываются максимальные токи и напряжения
на входе и выходе, проходная емкость, время включения и выклю-
чения. Важнейшими характеристиками оптопары являются вход-
ная (Z v =flUex) и передаточная характеристики. Последняя пока-
зывает зависимость выходного сопротивления от входного тока.
Промышленность выпускает оптопары с одним или несколь-
кими резисторами в одном корпусе, которые применяются для
автоматического регулирования усиления, связи между каска-
дами, управления бесконтактными делителями напряжения,
модуляции сигналов, формирования различных сигналов и т.д.
Диодные оптопары (рис. 10.41, б) имеют обычно инфракрас-
ный арсенид-галлиевый диод и кремниевый фотодиод. Фотоди-
од может работать в фотогенераторном режиме, создавая фото-
э.д.с. до (0,5-0,8) В, или в фотодиодном режиме. Основные па-
раметры диодных оптопар — это входные и выходные напря-
жения и токи для непрерывного и импульсного режима, коэф-
фициент передачи тока, т. е. отношение выходного тока к вход-
ному, время нарастания и спада выходного сигнала, а также дру-
гие величины, аналогичные параметрам резисторных оптопар.
278
Рис. 10.41. Типы оптопар: а — резисторная; б — диодная; в — транзисторная;
г — с составным транзистором; д — с фотодиодом и транзистором
Свойства диодных оптопар отображаются входными и выход-
ными ВАХ и передаточными характеристиками для фотогене-
раторного и фотодиодного режима. Многоканальные диодные
оптопары имеют в одном корпусе несколько оптопар. Масса
оптопары составляет примерно один грамм или десятые доли
грамма. Оптопары оформлены в металлостеклянном корпусе,
для гибридных микросхем выпускаются бескорпусные оптопа-
ры. Применение диодных оптопар весьма разнообразно. Напри-
мер, на основе диодных оптопар создаются импульсные транс-
форматоры, не имеющие обмоток.
Транзисторные оптопары имеют обычно в качестве излуча-
теля арсенид-галлиевый диод, а приемника излучения — бипо-
лярный кремниевый фототранзистор типа п-р-п (рис. 10.41, в).
Основные параметры входной цепи аналогичны параметрам диод-
ных оптопар. Дополнительно указываются максимальные токи,
напряжения и мощности, относящиеся к выходной цепи, темно-
вой ток фототранзистора, время включения и выключения, пара-
метры, характеризующие изоляцию входной цепи от выходной.
Оптопары этого типа работают главным образом в ключевом ре-
жиме и применяются в коммутаторных схемах, устройствах связи
различных датчиков с измерительными блоками, в качестве реле.
Для повышения чувствительности в оптопаре может быть
использован составной транзистор (рис. 10, 41, г) или фотодиод
с транзистором (рис. 10.41, д). Оптопары с составным транзис-
тором обладают наибольшим коэффициентом передачи тока, но
наименьшим быстродействием, а наибольшее быстродействие
характерно для диодно-транзисторных оптопар. Разновиднос-
тью транзисторных оптопар являются оптопары с полевым фо-
тотранзистором. Они отличаются хорошей линейностью выход-
ной ВАХ в широком диапазоне напряжений и токов и поэтому
удобны для аналоговых схем.
В качестве примера тиристорной оптопары рассмотрим опт-
роны серии АОУ160, которые состоят из арсенид-галлиевого
ИК-излучателя и кремниевого фотосимистора (рис. 10.42). Из-
лучатель и приемник изолированы один от другого оптически
прозрачной массой.
280
I , мА
BXJ
Рис. 10.42. Типовая схема включения оптрона А ОУ 160А в узле управления мощным коммутатором
нагрузки (а), входная ВАХ оптрона (б)
Оптопары выпускают в пластмассовом корпусе с жесткими
пластинчатыми выводами. Масса прибора — не более 0,8 г, ток
включения — 10 мА, время включения — не более lO.iw, время
выключения — не более 250 мкс, проходная емкость — не более
10 пФ, наибольший выходной ток при частоте 50 Гц — 100 мА,
напряжение изоляции между входом и выходом — 1,5 кВ. Рабо-
чий интервал температуры окружающей среды — (-45 + 70) °C.
Оптоэлектронные интегральные микросхемы (ОЭ ИМС) име-
ют оптическую связь между отдельными узлами или компонен-
тами для обеспечения электрической изоляции их друг от друга.
В этих микросхемах, изготовляемых на основе диодных, тран-
зисторных и тиристорных оптопар, кроме излучателей и фото-
приемников содержатся еще устройства для обработки сигна-
лов, полученных от фотоприемника. Особенностью ОЭ ИМС
является однонаправленная передача сигнала при полном уст-
ранении обратной связи. Различные ОЭ ИМС используются
главным образом в качестве переключателей логических и ана-
логовых сигналов, реле и схем цифро-буквенной индикации.
10.14.	Микроэлектроника
Микроэлектроника — это раздел электроники, включающий
исследование, конструирование и производство интегральных
микросхем (ИМС) и радиоэлектронной аппаратуры на их осно-
ве. Интегральная микросхема — это микроэлектронное изделие,
выполняющее определенную функцию преобразования, обра-
ботки сигнала и (или) накапливания информации и имеющее
высокую плотность упаковки электрически соединенных элемен-
тов (или элементов и компонентов), которое с точки зрения тре-
бований к испытаниям, приемке, поставке и эксплуатации рас-
сматривается как единое целое.
Элемент — это часть микросхемы, реализующая функции
какого-либо электрорадиоэлемента, которая не может быть
выделена как самостоятельное изделие. Под электрорадиоэле-
ментом понимают транзистор, диод, резистор, конденсатор и
др. Элементы могут выполнять и более сложные функции, на-
282
пример, логические (логические элементы) или запоминание
информации (элементы памяти).
Компонент — это часть микросхемы, реализующая функцию
какого-либо электрорадиоэлемента, которая может быть выде-
лена как самостоятельное изделие. Компоненты устанавливают-
ся на подложке микросхемы при выполнении сборочно-монтаж-
ных операций. К простым компонентам относятся бескорпус-
ные диоды и транзисторы, специальные типы конденсаторов,
малогабаритные катушки индуктивности и др. Сложные ком-
поненты содержат несколько элементов, например, диодные
сборки.
Плотность упаковки — это отношение числа простых ком-
понентов и элементов, в том числе содержащихся в составе
сложных компонентов, к объему микросхемы без учета объема
выводов.
Критерием оценки сложности микросхемы, т.е. числа N со-
держащихся в ней элементов и простых компонентов, является
степень интеграции. Она определяется коэффициентом К = \gN,
значение которого округляется до ближайшего большего цело-
го числа. Так, микросхема первой степени интеграции (К = 1)
содержит до 10 элементов и простых компонентов, второй сте-
пени интеграции (К = 2) — свыше 10 до 100 третьей степени ин-
теграции (К = 3) — свыше 100 до 1000 и т.д. В настоящее время
микросхему, содержащую 500 и более элементов, изготовленных
по биполярной технологии, или 1000 и более элементов, изго-
товленных по МДП-технологии, называют большой интеграль-
ной микросхемой (БИС). Если число элементов превышает
10 000, то микросхему называют сверхбольшой (СБИС).
Микросхемотехника (интегральная схемотехника) как одна
из основ микроэлектроники охватывает исследования и разра-
ботку оптимальных схем. Многие современные микросхемы яв-
ляются очень сложными электронными устройствами, поэтому
при их описании и анализе используются по меньшей мере два
уровня схемотехнического представления. Первый наиболее де-
тальный уровень — это электрическая схема. Она определяет
электрические соединения элементов (транзисторов, диодов, ре-
283
зисторов и др.). На этом уровне устанавливается связь между
электрическими параметрами схемы и параметрами входящих в
нее элементов. Второй уровень — это структурная схема. Она
определяет функциональные соединения отдельных каскадов,
описываемых электрическими схемами.
По функциональному назначению микросхемы подразделя-
ются на цифровые и аналоговые. Цифровая микросхема пред-
назначена для преобразования и обработки сигналов, изменяю-
щихся по закону дискретной функции. В аналоговых микросхе-
мах сигналы изменяются по закону непрерывной функции. Ана-
логовая ИМС называется линейной, если предназначена для
преобразования и обработки сигнала, меняющегося по линей-
ному закону. Аналоговые ИМС выполняют функции усиления,
детектирования, модуляции, генерации, фильтрации, преобра-
зования аналоговых сигналов и используются в аналого-циф-
ровых измерительных устройствах, усилителях низкой и высо-
кой частот, видеоусилителях, генераторах, смесителях сигналов
и других устройствах. В цифровых ИМС активные элементы
работают в ключевом режиме. Такие ИМС применяются в вы-
числительной технике, системах автоматического управления и
устройствах дискретной обработки информации.
Конструктивно-технологическая классификация микросхем
учитывает способ изготовления и получаемую при этом структу-
ру. По конструктивно-технологическим признакам различают
полупроводниковые и гибридные микросхемы. В полупроводни-
ковой микросхеме все элементы и межэлементные соединения
выполнены в объеме и на поверхности полупроводника. Струк-
тура, содержащая элементы, межэлементные соединения и кон-
тактные площадки (металлизированные участки, служащие для
присоединения внешних выводов), называется кристаллом ИМС.
Полупроводниковые микросхемы по типу применяемых тран-
зисторов подразделяются на два основных вида: микросхемы на
биполярных транзисторах и микросхемы на МДП-транзисторах
(М Д П-микросхемы).
Основным активным элементом биполярных микросхем яв-
ляется транзистор типа п-р-п. Кроме того, используются диоды
284
на основер-п переходов и переходов металл-полупроводник (ди-
оды Шотки), полупроводниковые резисторы, пленочные резис-
торы и в редких случаях — конденсаторы небольшой емкости.
Основными элементами современных МДП-микросхем явля-
ются МДП-транзисторы с каналом и-типа. Площадь этих тран-
зисторов на кристалле значительно меньше, чем биполярных,
поэтому для микросхем на «-канальных МДП-транзисторах до-
стигается самая высокая степень интеграции.
Гибридная ИМС содержит пленочные пассивные элементы и
навесные компоненты. В гибридных ИМС используются как
простые, так и сложные компоненты, например, бескорпусные
кристаллы полупроводниковых микросхем. Электрические свя-
зи между элементами, компонентами и кристаллами осуществ-
ляют с помощью пленочных и проволочных проводников. Под-
ложка с расположенными на ее поверхности пленочными эле-
ментами, проводниками и контактными площадками называет-
ся платой. Многокристальная гибридная микросхема представ-
ляет собой совокупность нескольких бескорпусных полупровод-
никовых микросхем, установленных на одной диэлектрической
подложке, соединенных между собой проводниками и заключен-
ных в герметизированный корпус.
В зависимости от способа нанесения пленок на поверхность
диэлектрической подложки и их толщины различают тонкопле-
ночные (толщина пленок менее 1 мкм) и толстопленочные (тол-
щина пленок более 1 мкм) гибридные микросхемы. Помимо ко-
личественных существуют и качественные различия, определяе-
мые технологией изготовления пленок. Тонкопленочные элемен-
ты формируют, как правило, с помощью термического вакуум-
ного испарения и ионного распыления, а тонкопленочные эле-
менты наносят на подложку методом трафаретной печати с пос-
ледующим вжиганием.
Все ИМС состоят из активных и пассивных элементов. К ак-
тивным элементам относятся биполярные и полевые транзисто-
ры, к пассивным — резисторы, конденсаторы и катушки индук-
тивности.
285
Главные различия структур биполярных транзисторов полу-
проводниковых микросхем и дискретных транзисторов заклю-
чаются в том, что первые содержат дополнительные области,
изолирующие их от общей полупроводниковой подложки, и все
выводы от областей транзистора располагаются в одной плос-
кости на поверхности подложки. Такая структура называется
планарной. Она позволяет соединить транзисторы между собой
и другими элементами микросхемы пленочными металлически-
ми проводниками, формируемыми на той же поверхности. Кро-
ме того, к структурам биполярных транзисторов, как и других
элементов микросхем, предъявляется специфическое требова-
ние — площадь, занимаемая ими на полупроводниковой под-
ложке, должна быть минимально возможной для повышения
плотности упаковки элементов и степени интеграции. Конструк-
ция и технология изготовления транзисторов должна обеспечи-
вать возможность одновременного создания и других элементов
(диодов, резисторов и т.д.) на основе аналогичных полупровод-
никовых слоев, используемых при формировании эмиттерной, ба-
зовой и коллекторной областей транзистора. В этом состоит важ-
ное требование конструктивно-технологической совместимости
элементов полупроводниковых микросхем.
Наряду с биполярными транзисторами, изолированными р-п
переходом, применяют биполярные транзисторы с диэлектри-
ческой изоляцией. Основные отличия структуры такого транзи-
стора состоят в том, что транзистор размещают в кармане (об-
ласти, окруженные со всех сторон изолирующим переходом, на-
зываются карманами), изолированном со всех сторон от подлож-
ки из поликристаллического кремния тонким диэлектрическим
слоем диоксида кремния. Качество такой изоляции значительно
выше, так как токи утечки диэлектрика на много порядков мень-
ше, чем р-п перехода при обратном напряжении. Однако, бипо-
лярные микросхемы с диэлектрической изоляцией не получили
широкого применения вследствие сложной технологии создания
карманов и малой степени интеграции.
Основным методом изоляции элементов современных бипо-
лярных микросхем является метод комбинированной изоляции,
286
сочетающий изоляцию диэлектриком (диоксид кремния) и р-п
переходом, смещенным в обратном направлении. В настоящее
время существует большое число конструктивно-технологичес-
ких разновидностей биполярных микросхем с комбинированной
изоляцией.
В некоторых аналоговых микросхемах используют полевые
транзисторы с управляющим р-п переходом и биполярные тран-
зисторы на одном кристалле. Известно, что, в отличие от бипо-
лярных, полевые трайзисторы характеризуются значительно боль-
шим входным сопротивлением и меньшим уровнем шумов, но
уступают им по быстродействию и занимают большую площадь.
Поэтому полевые транзисторы применяют во входных каскадах
аналоговых микросхем, а в остальных каскадах используют би-
полярные транзисторы. В связи с этим возникает необходимость
формирования на одном кристалле биполярных транзисторов и
полевых транзисторов с управляющим р-п переходом.
В микросхемах наиболее широко распространены МДП-тран-
зисторы с индуцированными каналами лг-типа. Транзисторы со
встроенными каналами используют реже, в основном как пас-
сивные элементы. В некоторых МДП-микросхемах применяют
транзисторы с индуцированными каналами и п- и p-типа. При
одинаковой конструкции n-канальные транзисторы имеют боль-
шую крутизну и более высокую граничную частоту, чем р-ка-
нальные, вследствие большей подвижности электронов по срав-
нению с дырками. В отличие от биполярных МДП-транзисто-
ры можно создавать в тонких слоях кремния, нанесенных на
диэлектрическую подложку. При этом повышаются быстродей-
ствие, степень интеграции и радиационная стойкость.
Основными активными элементами арсанид-галлиевых мик-
росхем являются полевые транзисторы с управляющим перехо-
дом металл-полупроводник (МЕП-транзисторы). Эти микросхе-
мы относятся к классу быстродействующих. При разработке
микросхем используются следующие преимущества арсенида
галлия по сравнению с кремнием: более высокие подвижность
электронов в слабых электрических полях и скорость насыще-
ния в сильных полях, большая ширина запрещенной зоны и, как
287
следствие, значительно более высокое удельное сопротивление
нелегированного арсенида галлия, позволяющее создавать по-
луизолирующие подложки микросхемы.
В полупроводниковых микросхемах наиболее распространен-
ными пассивными элементами являются резисторы. Вследствие
низкого удельного сопротивления полупроводниковых слоев
они занимают большую площадь на кристалле. Поэтому мик-
росхемы проектируют так, чтобы число резисторов было мини-
мальным, а их сопротивления — небольшими (обычно менее
10 кОм). Аналоговые микросхемы содержат, как правило, боль-
ше резисторов, чем цифровые. Во многих цифровых микросхе-
мах (например, на полевых транзисторах) резисторов нет, вместо
них используют транзисторы. Полупроводниковые резисторы
имеют сильную температурную зависимость и большой техно-
логический разброс сопротивления. Иногда вместо полупровод-
никовых применяют тонкопленочные резисторы с лучшими па-
раметрами, но тогда технологический процесс усложняется.
Основная часть полупроводниковых микросхем не содержит
конденсаторов вследствие занимаемой или большой площади.
Например, полупроводниковый или тонкопленочный конден-
сатор емкостью 50 пФ занимает приблизительно такую же пло-
щадь, как 10 биполярных или 100 МДП-транзисторов. Поэто-
му, если требуется емкость более 50-100 пФ, применяют внешние
(дискретные) конденсаторы, для подключения которых в мик-
росхемах предусматривают специальные выводы. В некоторых
микросхемах конденсаторы малой емкости объединяются с дру-
гими элементами. Например, в элементах памяти динамическо-
го типа конденсаторы совмещены с МДП-транзисторами, в ло-
гических элементах на арсениде галлия — с металл-полупровод-
никовыми диодами. Конденсаторы емкостью порядка 10 пФ на
основе МДП-структур используются в некоторых аналоговых
микросхемах, обладающих частотной избирательностью сигна-
лов (например, в активных фильтрах). На высоких частотах
МДП-конденсаторы имеют низкую добротность, так как одной
из обкладок служит полупроводниковый слой со значительным
сопротивлением. Высокую добротность обеспечивают тонкопле-
288
ночные конденсаторы. Такие конденсаторы емкостью 0,1-1 пФ,
а также тонкопленочные индуктивные элементы (доли наноген-
ри) применяют в полупроводниковых аналоговых арсенид-гал-
лиевых СВЧ-микросхемах. На более низких частотах индуктив-
ные элементы не используются. В некоторых случаях индуктив-
ный эффект получают схемным путем (т.е. применяя операци-
онные усилители с /?С-цепями обратной связи, активные фильт-
ры и др.). Для других случаев применения используют катушки,
находящиеся вне корпуса микросхемы.
В низкочастотных микросхемах применяют дискретные ми-
ниатюрные конденсаторы и катушки индуктивности. Пленоч-
ные реактивные элементы с емкостями менее 100 пФ и индук-
тивностями менее 1 мкГн используют в аналоговых высокочас-
тотных микросхемах. В сантиметровом диапазоне СВЧ исполь-
зуют пассивные элементы на основе микрополосковых линий
передачи с распределенными емкостью и индуктивностью. Раз-
мер элементов порядка длины волны, поэтому их плотность от-
носительно низкая.
10.	Электротехника и электроника
289
11.	ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА
11.1.	Неуправляемые полупроводниковые выпрямители
Простейшими полупроводниковыми выпрямителями являются
неуправляемые выпрямители, они служат для преобразования
переменного напряжения в постоянное. На рис. 11.1, а показана
схема выпрямления с одним полупроводниковым диодом, вклю-
ченным последовательно с нагрузкой. Ток проходит через резис-
тор нагрузки RH только в течение положительных полупериодов
переменного напряжения, подведенного к цепи с выпрямителем
от вторичной обмотки трансформатора (рис. 11.2, б).
Для того чтобы в нагрузку поступал ток в течение обоих по-
лупериодов входного синусоидального напряжения, применя-
ются схемы двухполупериодного выпрямления. В схеме с двумя
диодами (рис. 11.1, б) в одном полупериоде открыт один диод, в
другом — второй. Диоды включены так, что ток в нагрузке в
течение обоих полупериодов имеет одинаковый знак.
В схеме с четырьмя диодами (схема Герца, рис. 11.1, в) ток в
каждом полупериоде проходит через два диода, расположенных
в разных плечах моста. В двухполупериодных схемах выпрям-
ленное напряжение в два раза больше, чем в однополупериод-
ной схеме (рис. 11.2, в).
В трехфазной схеме с тремя диодами (схема Миткевича) на-
грузка включена между узлом, образованным диодами, и нейт-
ральной точкой трехфазного трансформатора (рис. 11.1, г). В
этой схеме диоды работают поочередно, длительность прохож-
дения тока в каждом диоде равна одной трети периода.
Мостовая трехфазная схема выпрямления (схема Ларионова)
обеспечивает еще большее сглаживание выпрямленного тока и
исключает необходимость использования нейтральной точки
трансформатора (см. рис. 11.1, Э).
Параметры основных выпрямительных схем приведены в таб-
лице 11.1, пользуясь которой можно рассчитать выпрямитель-
ное устройство. Покажем это на следующем примере.
290
Рис. 11.1 Выпрямительные схемы: а — однофазная однополупериодная;
б — однофазная двухполупериодная; в — однофазная мостовая,
двухполупериодная; г — трехфазная с нулевой точкой;
д — трехфазная мостовая
291
и
Рис. 11.2. Кривые изменения напряжения: а — на входе однофазных
выпрямительных схем; б — на выходе однополупериодной схемы
выпрямления; в — на выходе двухполупериодной схемы выпрямления
292
Таблица 11.1
Параметры типовых выпрямительных схем
Параметр	Выпрямительная схема				
	Однофазная			Трехфазная	
	Одно- полупе- риодная	Двух- полупе- риодная	Мостовая	С нулевой точкой	Мостовая
Фазное напряжение (действ, знач.), иф	2,221/4	2 х 1,111/4	l,HUd	0,85 Ud	0,43 Ud
Обратное напряжение, иф	3,141/4	3,13С7</	l,57t/4	2,lUd	1,05 C/4
Выпрямленное напряжение (ср. знач.), Ud	0,45//<-/>	0,9иф	0,9иф	\,\7иф	2,34иф
Коэффициент пульсаций	1,57	0,67	0,67	0,25	0,06
Ток через диод (ср. знач.)	Id	0,5Id	0,5Id	0,33/4	0,33/4
На выходе однополупериодного выпрямителя необходимо
обеспечить мощность Pd = 100 Вт при напряжении питания Ud =
= 40 В. Выбрать полупроводниковый диод по справочнику. Оп-
ределить необходимое напряжение вторичной обмотки транс-
форматора (см. рис. 11.1, а).
1.	Определяем ток потребителя
^™ = 2.5Л.
U, 40
2.	Определяем напряжение, действующее на диод в непрово-
дящий период. Для однополупериодного выпрямителя
U, = 3,14-^ = 3,14-40 = 126#.
293
3.	По справочнику (Диоды выпрямительные, стабилитроны,
тиристоры: Справочник. — М.: КубК-а, 1996. 528 с.) выбираем
диод из условия: 1Лт >Idu Uo6p > Ue.
Этим условиям удовлетворяет диод КД202Е, для которого
1дип = 3 Л > 2,5 Л и Uo6p = 140 В > 126 В.
4.	Необходимое напряжение вторичной обмотки трансфор-
матора
иф = -^- = -^_ = 905.
ф 0,45 0,45
11.2.	Управляемые полупроводниковые
выпрямители
С помощью вентилей, имеющих управляемые электроды (три-
нисторы, симисторы), можно регулировать момент отпирания
выпрямителя и тем самым изменять выпрямленное напряжение
и ток. Схема, содержащая управляемые вентили и позволяющая
регулировать напряжение на нагрузке, называется управляемым
выпрямителем.
В управляемый выпрямитель тиристор включается как обыч-
ный вентиль, а к его управляющему электроду подводятся от
цепи управления (ЦУ) импульсы, включающие тиристоры с за-
паздыванием на угол а по отношению к выпрямляемому напря-
жению (рис. 11.3). Последовательно с нагрузкой Rn включен дрос-
сель L для уменьшения бросков тока в момент открывания ти-
ристоров.
Через тиристор VSI, включившийся в момент, соответству-
ющий со/= а (рис. 11.4), на выход выпрямителя подается напря-
жение первой фазы вторичной обмотки иг При со/ > л напряже-
ние U] становится отрицательным, однако тиристор KS1 не за-
пирается, так как в дросселе L наводится э.д.с. самоиндукции с
полярностью и величиной, обеспечивающими напряжение на ка-
тоде VSI, меньше чем мг
При со/ = тг + а открывается тиристор VS2, через который на
выход подается напряжение и,, являющееся в данном интервале
положительным. Ток дросселя переходит на вторую фазу, а ти-
294
Рис. 11.3. Схема управляемого выпрямителя на тринисторах
295
ристор К51 запирается. Таким образом, напряжение на выходе
выпрямителя и создается только теми частями напряжений вто-
ричных обмоток и, и и2, которые соответствуют открытым ти-
ристорам (заштрихованы на рис. 11.4).
Напряжение на нагрузке получается почти равным посто-
янной составляющей напряжения и, подводимого к цепи LR,
оно возрастает при уменьшении угла а и спадает при его уве-
личении.
Напряжение на нагрузке в тиристорном выпрямителе опре-
деляется не только амплитудой подводимого напряжения, но и
углом отставания управляющих тиристорами импульсов а. Ре-
гулировка выпрямленного напряжения посредством изменения
фазы управляющих импульсов не связана с гашением избытка
мощности в самом регулируемом выпрямителе, что является его
основным достоинством.
11.3.	Электронные усилители
Усилителем называется устройство, которое при подаче на его
входные зажимы напряжения I/ или тока I создает на выходных
зажимах напряжение U2 = Ки или ток /2 = К 1Х (рис. 11.5).
Коэффициенты Ку и К. называются соответственно коэффи-
циентами усиления по напряжению и току. В определенных пре-
делах изменения напряжения, тока или частоты эти коэффици-
енты обычно постоянны. Питаются усилители от источников
постоянного напряжения — выпрямителей или аккумуляторов.
В зависимости от требуемого коэффициента усиления усили-
тели могут быть однокаскадными или многокаскадными.
Работа усилителей основана на различных принципах. Могут
быть использованы насыщенные дроссели (магнитные усилите-
ли), электровакуумные приборы (ламповые усилители), полупро-
водниковые приборы (транзисторные усилители), микроэлектрон-
ные полупроводниковые приборы (усилители на ИМС) и т.д.
Усилители электрических сигналов используются во многих
областях — в вычислительной технике, в автоматике, телевиде-
нии, радиосвязи и т.д.
296
Рис. 11.5. Схема усилителя (а) и его амплитудная
характеристика (б)
Работа усилителей характеризуется параметрами и зависимо-
стями для номинального режима.
Если на вход усилителя (рис. 11.5, а) подано синусоидальное
напряжение с действующим значением 17 или ток а в нагруз-
ке выделяются напряжение U2 и ток 12, то зависимость выход-
ной величины от входной называют амплитудной характерис-
тикой (рис. 11.5, б). Эта характеристика должна быть линейной,
однако вследствие нелинейности характеристики лампы или
транзистора при больших амплитудах, вследствие других при-
297
чин она становится нелинейной (см. рис. 11.5, б). Усилители ис-
пользуются преимущественно в линейной части характеристи-
ки, где коэффициенты усиления по напряжению
или по току
не зависят от значений выходных величин. Часто удобнее пользо-
ваться логарифмами этих отношений, выражая коэффициенты
в децибелах:
K„=201g^,
/С, = 201g
А
А
Во многих случаях важно знать зависимость коэффициента
усиления от частоты при синусоидальном входном напряжении
Ки-f(f) или К, = Л/)- Такая зависимость называется частотной
характеристикой усилителя. На основе типичных частотных
характеристик все усилители можно разделить на усилители
постоянного тока, которые работают при частоте/= 0, и усили-
тели переменного тока. Коэффициент усиления усилителя пере-
менного тока может быть постоянным в широком (рис. 11.6, а)
или узком (рис. 11.6, б) диапазоне частот.
В зависимости от рабочего диапазона частот усилители под-
разделяются на усилители низкой и высокой частоты.
Выходное напряжение усилителя сдвинуто по отношению к
входному на угол ср: зависимость этого угла от частоты называ-
ется фазовой характеристикой усилителя.
Когда необходимо получить усиление по напряжению — ис-
пользуются усилители напряжения, соответственно для усиле-
ния тока используются усилители тока. В других случаях требу-
ется усиление по мощности — такие усилители называются уси-
лителями мощности.
298
ьо

Puc. 11.6. Частотные характеристики усилителей: широкополосного (а); резонансного (б)
Рис. 11.8. Графический расчет
режима усиления транзистора
Простейший усилитель содержит транзистор, питаемый от
источника Е через резистор нагрузки Rn (рис. 11.7). Конденса-
тор С( служит для того, чтобы постоянная составляющая на-
пряжения Ufx не проходила на базу транзистора. Резистором Rt
устанавливается исходная рабочая точка.
Для устранения постоянной составляющей в выходном на-
пряжении U включен разделительный конденсатор С,.
Согласно второму закону Кирхгофа, ток коллектора
Ток коллектора является функцией тока базы и напряжения
между эмиттером и коллектором iK - f(i6, и у
Произведем графическим путем расчет усилительного каска-
да. На семействе выходных характеристик транзистора (рис. 11.8)
построим прямую по двум точкам: холостого хода (гк = 0, ик = Е)
и короткого замыкания (и. = 0, iK = —). Проведенная через эти
к
~ и
точки прямая называется линиеи нагрузки транзистора, и все
значения тока при работе его в схеме рис. 11.7 будут лежать на
этой прямой и определяться точками пересечения ее с коллек-
торными характеристиками транзистора.
Если переменное напряжение на входе усилителя равно нулю,
то в цепи базы проходит ток, зависящий от напряжения смеще-
ния. Этим током устанавливается рабочая точка М.
Если на вход усилителя подать переменное напряжение, то
ток базы будет изменяться и состоять из двух составляющих —
постоянной и переменной Одновременно в транзисторе бу-
дут изменяться эмиттерный и коллекторный токи.
Зная изменение тока i6, можно построить график переменной
составляющей коллекторного тока iK. Проектируя изменение
тока iK на линию нагрузки, легко проследить за изменением на-
пряжения и Переменная составляющая коллекторного напря-
жения является выходным напряжением усилителя, которое рав-
но по величине и противоположно по фазе переменной состав-
ляющей напряжения на резисторе Ru.
301
ивых ~ * iK-
Поскольку коллекторный ток в много раз больше тока базы,
то выходное напряжение усилителе с общим эмиттером во мно-
го раз превышает входное напряжение.
Если входное напряжение изменяется по синусоидному зако-
ну, то и выходное напряжение усилителя с общим эмиттером
также будет синусоидальным при условии, что токи i6 и iK не
выходят за пределы линейных участков характеристик.
11.4.	Режим работы усилителей
В усилительной технике принята классификация, в соответ-
ствии с которой различают три основных режима работы уси-
лительных элементов: А, Ви С.
При входном сигнале, имеющем оба периода одинаковой ам-
плитуды, в режиме А точка покоя должна находиться в середине
линейного участка характеристики, что достигается подачей со-
ответствующего тока или напряжения смещения во входную цепь.
Из рис. 11.9 видно, что в режиме А амплитуда переменной
составляющей выходного тока ImaY не может быть больше тока
покоя /о.
КПД в режиме А по мощности незначителен вследствие боль-
шой величины тока покоя 1о как при сигнале, так и без сигнала,
что является основным недостатком этого режима. Достоинства-
ми режима А являются малые нелинейные искажения вследствие
работы усилительного элемента на линейном участке его харак-
теристики, в результате форма выходного тока почти не отли-
чается от формы входного.
Режим А используется в каскадах предварительного усиле-
ния и в некоторых случаях в усилителях мощности.
Режимом В называется такой режим работы усилительного
каскада,, при котором ток в выходной цепи возникает только в
положительные полупериоды входного сигнала (рис. 11.10). Точ-
ка покоя в режиме В расположена в нижней части идеализиро-
ванной динамической характеристики и называется точкой от-
сечки.
302

Рис. 11.9. Графики режима работы усилительного
каскада в классе А
Рис. 11.10. График режима работы усилительного каскада в классе В
Выходное напряжение и ток усилительного каскада при си-
нусоидальных входном напряжении и токе имеют форму полу-
синусоиды, т.е. нелинейные искажения очень велики. Поэтому
режим В в основном используют в двухтактных схемах усилите-
лей мощности; к.п.д. усилителя, работающего в режиме В, дос-
тигает 80%, так как ток покоя в режиме В почти равен нулю, а
постоянная составляющая тока усилительного элемента при на-
личии входного напряжения имеет сравнительно небольшую ве-
личину.
В режиме С усиливается только часть положительной полу-
волны входного сигнала; к.п.д. режима С выше, а нелинейные
искажения больше, чем в режиме В. Применяется этот режим в
резонансных усилителях и генераторах, где настроенный на ос-
новную гармоническую колебательный контур уменьшает вели-
чину нелинейных искажений.
Большинство усилителей мощности работают в режиме А, т.е.
через усилительный элемент все время протекает ток. Статичес-
кая характеристика такого элемента (рис. 11.11) приблизитель-
но линейна в области, ограниченной снизу током Imin, слева —
граничной линией, которую можно аппроксимировать прямой
. U
i = —.
R.
Рабочая точка А усилительного элемента не может распола-
гаться выше гиперболы допустимых потерь (на аноде лампы или
коллектора транзистора) Р . Эти три линии ограничивают об-
ласть, внутри которой должна находиться рабочая точка уси-
лителя.
Обычно усилители мощности используются с трансформатор-
ным выходом или с выходом на резистивную нагрузку (бестран-
сформаторные схемы). Рабочая точка усилителя А лежит на аб-
сциссе — Uo = Е и ординате /о, а нагрузочная прямая проходит
через точку А под углом а. При переходе границы линейных
характеристик в усилителе появляются нелинейные искажения,
существенно ограничивающие выходную мощность.
11.	Электротехника и электроника
305
Рис. 11.11. Статическая характеристика усилителя мощности
Для увеличения выходной мощности применяют двухтакт-
ную схему, позволяющую при работе усилителя в классе В по-
лучать высокое качество воспроизведения сигнала. Такая схема
содержит два одинаковых усилительных элемента, например,
транзисторы (рис. 11.12), на входы которых поступают напря-
жения с противоположными фазами с трансформатора 7\, име-
ющего вывод средней точки. Выходной трансформатор Т, ра-
ботает на нагрузку R .
Рис. 11.12. Схема двухтактного выходного каскада
Если транзисторы проводят ток только в течение полупери-
ода (класс В), то токи обоих транзисторов — это импульсы в
форме половины синусоиды (рис. 11.13).
Магнитный поток в выходном трансформаторе Т2 пропор-
ционален разности обоих токов K(ikl - ik2), т.е. по форме прибли-
жается к синусоиде, поэтому усилитель усиливает сигналы без
искажений.
11.5.	Генераторы синусоидальных колебаний
Генератором синусоидальных колебаний называют электрон-
ное устройство, преобразующее электрическую энергию посто-
янного тока в энергию электромагнитных колебаний синусои-
дальной формы требуемой частоты и мощности.
307
Рис. 11.13. График режима работы двухтактного усилителя
мощности в классе В
308
Генераторы классифицируют по двум признакам — частоте
и способу возбуждения. В зависимости от частоты генерируе-
мых колебаний генераторы подразделяют на низкочастотные,
(0,1-100) кГц, высокочастотные, (0,1-100) МГц, сверхчастотные,
свыше 100 МГц.
По способу возбуждения различают генераторы с независи-
мым возбуждением и с самовозбуждением (автогенераторы).
Генераторы с независимым возбуждением — это высокочас-
тотные избирательные усилители мощности, на вход которых
подаются колебания от автогенератора.
На рис. 11.14 приведена схема однокаскадного ЛС-автогене-
ратора с резонансным колебательным контуром (ЛС-контур).
Катушка резонансного контура L. индуктивно связана с катуш-
кой LkX, включенной в коллекторную цепь транзистора. При
подаче напряжения питания в колебательном контуре появятся
колебания с частотой
1
а>= ,—
Рис. 11.14. Схема LC-автогенераторц с контуром в цепи базы
309
Переменный ток контура i6 усиливается транзистором. Эти
колебания через катушку Lk, индуктивно связанную с катушкой
L5, вновь возвращаются в колебательный контур. Размах коле-
баний постепенно нарастает до определенной величины, так как
транзистор представляет собой ограничивающее устройство, не
позволяющее коллекторному току возрастать бесконечно. Ус-
ловие баланса фаз в рассматриваемом автогенераторе осуществ-
ляется при сдвиге фаз выходного (коллекторного) напряжения
{/. на 180° относительно напряжения U,. Практически это усло-
вие выполняется соответствующей намоткой индуктивных ка-
тушек (направления намотки витков катушек резонансного кон-
тура в коллекторной цепи должны быть противоположными).
Мощность в колебательном контуре, включенном в базовую
цепь усилителя, будет небольшой, так как ток и напряжение в
цепи базы транзистора имеют малые величины. По этой причи-
не такие автогенераторы применяют редко. Чаще всего исполь-
зуют автогенераторы, в которых колебательный контур вклю-
чен по схеме рис. 11.15. В этой схеме транзистор и контур под-
ключены параллельно источнику питания. Конденсатор С пре-
дотвращает проникновение постоянной составляющей коллек-
торного тока в катушку Lk, а дроссель L отфильтровывает пере-
менную составляющую, и она не проходит в источник питания.
Конденсатор С служит, как и в предыдущей схеме, для прохож-
дения переменной составляющей на эмиттер транзистора VT1.
Для получения синусоидальных колебаний низкой частоты
применение LC-автогенераторов нецелесообразно вследствие
больших величин индуктивностей катушки и емкостей конден-
саторов в колебательном контуре. Для создания синусоидаль-
ных колебаний используют АС-генераторы, которые имеют вы-
сокую стабильность частоты в этом диапазоне за счет примене-
ния высокостабильных резисторов и конденсаторов.
На рис. 11.16 показана схема АС-автогенератора. По суще-
ству, это каскад усилителя с обратной связью. Входное и выход-
ное напряжения сдвинуты по фазе на 180°. Г-образная АС-цепь
состоит из трех одинаковых АС-звеньев, каждое АС-звено сдви-
гает фазу на 60°.
310
Рис. 11.15. Схема LC-автогенератора с параллельным питанием
Рис. 11.16. Схема Р^С-автогенератора
311
Для изменения частоты в таких автогенераторах необходи-
мо изменять одновременно либо все сопротивления, либо все
емкости в 7?С-звеньях.
11.6.	Генераторы пилообразного напряжения
Пилообразным называют напряжение, нарастающее пропор-
ционально времени и убывающее скачкообразно. На рис. 11.17, а
показано идеальное пилообразное напряжение, имеющее время
нарастания t и время спада t(n, равное нулю. Очевидно, что
период такого напряжения Т равен времени нарастания. Реаль-
ные генераторы пилообразного напряжения имеют не совсем
линейно нарастающее напряжение и не равное нулю время его
спада (рис. 11.17, б).
Пилообразное напряжение применяют для разверстки элект-
ронного луча в электронно-лучевых приборах.
Рассмотрим работу управляемого транзисторного генерато-
ра пилообразного напряжения с емкостной обратной связью
(рис. 11.18).
Генератор управляется импульсами отрицательной полярно-
сти через диод VD\. В исходном состоянии транзистор VT1 за-
перт положительным напряжением, подаваемым от источника
э.д.с. Е6э через резистор Т?2, диод KD1 и резистор Rf. Конденса-
тор С заряжается через RK, 7?р VD\ и R2 приблизительно до на-
пряжения Ек}. При подаче управляющего импульса диод VD1
запирается. Транзистор VT1 открывается, так как напряжение
на его базу подается теперь через резистор R. Начинается раз-
ряд конденсатора через открытый транзистор. Потенциалы базы
и коллектора в момент отпирания транзистора скачком умень-
шаются. Емкостная обратная связь между коллектором и базой
поддерживает ток разряда конденсатора почти неизменным.
В момент окончания управляющего импульса диод отпира-
ется, транзистор закрывается напряжением источника э.д.с. Е ,
и начинается заряд конденсатора С.
Для обеспечения полного разряда конденсатора и получе-
ния максимальной амплитуды пилообразного напряжения дли-
312
Рис. 11.17. Кривые изменения идеального (а) и реального (б) пилообразного напряжения
Рис. 11.18. Схема генератора пилообразного напряжения
тельность управляющих импульсов выбирают исходя из соот-
ношения
т = (1,1 — 1,2) tpa3p,
где t тр — время разряда конденсатора.
Частота пилообразного напряжения определяется парамет-
рами разрядной цепи и ограничивается частотными свойства-
ми транзистора.
Рассмотренный генератор работает в ждущем режиме, т. е.
вырабатывает пилообразное напряжение только при воздей-
ствии на вход генератора управляющего напряжения U .
11.7.	Мультивибраторы
Мультивибратором называется генератор прямоугольного на-
пряжения, которое может быть разложено в ряд, содержащий выс-
шие гармоники. Этим и объясняется название этого устройства.
314
Схема имеет два неустойчивых состояния, когда один из тран-
зисторов открыт, а другой закрыт (рис. 11.19.). Переход из одно-
го состояния равновесия в другое происходит скачком, почти
мгновенно, так как время переходного процесса в транзистор-
ном мультивибраторе измеряется долями микросекунды.
Рис. 11.19. Схема мультивибратора
Предположим, что в начальный момент времени t = 0 (рис.
11.20) транзистор FT1 открылся, транзистор VT2 закрылся, кон-
денсатор С2 начинает заряжаться через открытый транзистор
VT\ и резистор Rk1.
Открытие транзистора VT1 связано с прекращением разряда
конденсатора С2 и появлением на базу VTL отрицательного на-
пряжения, подаваемого через резистор R6] и с прохождением в
цепи базы VT1 зарядного тока конденсатора С2, уменьшающе-
гося по экспоненте с постоянной времени RK1Cr Наличием за-
рядного тока конденсатора С2 объясняется скругление передних
фронтов выходного напряжения U . Величина сопротивления
резистора R6i выбирается так, чтобы обеспечить работу транзи-
стора VT\ в режиме насыщения.
До тех пор, пока транзистор VT\ открыт и насыщен, через
него проходит разрядный ток конденсатора Ср который разря-
315
316
жается через резистор R62 с постоянной времени R62CV По мере
разряда конденсатора С, напряжение на базе транзистора VT2
становится все менее положительным, и через промежуток вре-
мени Г] транзистор VT2 скачком открывается, а конденсатор С2
начинает разряжаться через транзистор VT2 и резистор Рб1 с
постоянной времени R6}C2. При этом он закрывает транзистор
VT\. Конденсатор С, в это время будет заряжаться через Rk} и
открытый транзистор VT2.
Мультивибратор называют симметричным, если длитель-
ность открытого состояния обоих транзисторов одинакова, т.е.
tj = t2. У симметричного мультивибратора Рк1 = Rk2, R6i - R62 и
С, = С2. Времязадающими являются цепи R6l, С2 и R62, Сг Пери-
од колебаний Т = + t2.
Важной характеристикой работы мультивибратора является
скважность импульсов. Скважностью прямоугольных импуль-
сов называют отношение периода колебаний Т к длительности
импульса tv
11.8.	Логические элементы
Логические элементы могут быть выполнены на электромаг-
нитных реле, полупроводниковых диодах и триодах, электрон-
ных лампах и т.д. В настоящее время применяются в основном
логические элементы, использующие полупроводниковые при-
боры, однако в начале рассмотрим релейные элементы, так как
на принципе их действия легче понять работу других логичес-
ких элементов.
Логический элемент И имеет несколько входов. Сигнал на
выходе элемента появляется только в том случае, когда на все
входы поданы сигналы.
На рис. 11.21 показана принципиальная схема элемента If на
электромагнитном реле Р, на которой контакты входных уст-
ройств а, Ь, с соединены последовательно. Ток в обмотке реле
возможен только в том случае, если будут замкнуты все три кон-
такта. В этом случае реле сработает и замкнет исполнительную
цепь с нагрузкой Rn.
317
Рис, 11.21. Схема логического элемента И
на электромагнитном реле
На рис. 11.22 эту же функцию выполняет схема на полупро-
водниковых диодах. При /?>/?! = R2 = 7?3 напряжение С7 ых близ-
ко к нулю. Напряжение на выходе схемы появится только при
подаче положительного напряжения на все три входа схемы.
В релейной схеме рис. 11.23 контакты сигналов включены
параллельно, поэтому ток в реле наблюдается уже в том случае,
когда замкнут хотя бы один из трех контактов.
Наиболее просто схема выполняется на полупроводниковых
диодах. Так, например, на рис. 11.24 показана схема ИЛИ, вы-
полненная на три входных напряжения. Здесь сигнал на выходе
появляется в том случае, если подан сигнал на любой из входов.
Схема НЕ (часто называется инвертором), выполненная на
электромагнитном реле, показана на рис. 11.25. В этой схеме
при замкнутом контакте, а замкнут контакт Р, поэтому на вы-
ходе имеется напряжение, которое принимается за единицу.
При наличии сигнала (контакт а замкнут) напряжение на Лн
равно нулю.
318
ио
<£>
Рис. 11.22. Схема логического элемента И на полупроводниковых диодах
UBX.
Рис. 11.23. Схема логического элемента ИЛИ
на электромагнитном реле
а
VD1
b
и
вхЬ
VD2
с
U
вх,
VD3
и
вых
Рис. 11.24. Схема логического элемента ИЛИ
на полупроводниковых диодах
320
Рис. 11.25. Схема логического элемента
НЕ на электромагнитном реле
Схема инвертора может быть выполнена на полупроводни-
ковом триоде (рис. 11.26). В этой схеме триод при отсутствии
сигнала на входе заперт, и на выходе имеется напряжение Ueux.
Если на вход подать отрицательное напряжение, то триод от-
крывается, и напряжение на выходе равно нулю.
Рис. 11.26. Схема логического элемента НЕ на транзисторе
321
Приложение 1
Единицы электрических и магнитных величин
в системе СИ
Величина	Единица	Обозначение	Выражение через другие единицы СИ
	Наимено- вание		
Сила электрического тока	ампер	А	—
Количество электричества, электрический заряд	кулон	Кл	А с
Энергия	джоуль	Дж	Н-с
Мощность Электрическое напряжение, электрический потенциал,	ватт	Вт	Дж/с
разность потенциалов, э.д.с.	вольт	В	Вт/А
Электрическая емкость Электрическое	фарада	Ф	Кл/В
сопротивление Электрическая	ом	Ом	В/А
проводимость	сименс	См	А/В
Магнитная индукция	тесла	Т	Вб/м1
Поток магнитной индукции	вебер	Вб	Вс
Индуктивность	генри	Г	В б/А
Частота	герц	Гц	-
Приставка для дольных и кратных единиц
Наименование приставки	Обозначение	Отношение к основной единице
ПИКО	п	10~12
нано	н	10-9
микро	мк	10-6
милли	м	103
санти	с	10-2
гекто	г	ю2
кило	к	103
мега	М	10е
гига	Г	ю9
тера	Т	1012
322
Приложение 2
Свойства проводниковых материалов
при температуре 20 °C
Материал	Удельное сопротивление, р, Ом'мм2/м	Удельная проводимость, J, М/Ом'мм2	Среднее значение температурного коэффициента сопротивления, а, град-1
Серебро	0,0165	60,6	0,004
Медь	0,0175	57,2	0,0175
Золото	0,023	43,5	0,004
Алюминий	0,028-0,0.29	35,7-34,0	0,004
Вольфрам	0,055	18,2	0,005
Молибден	0,058	17,3	0,0045
Цинк	0,061	16,4	0,0037
Никель	0,08	12,5	0,005
Железо	0,1	10	0,0065
Платина	0,117	8,5	0,0037
Олово	0,12	8,3	0,0045
Свинец	0,21	4,8	0,004
Манганин	0,48	2,1	0,00001
Константан	0,5	2	0,00005
Нихром	1	1	0,00017
323
Приложение 3
Допустимые длительные токовые нагрузки
на провода, шнуры и кабели с резиновой
или пластмассовой изоляцией
1. Провода и шнуры с резиновой и полихлорвиниловой изоляцией
с медными жилами.
Сечение токопроводящей жилы, мм2	Токовые нагрузки, А					
	Провода, проложенные открыто	Провода, проложенные в одной трубе				
		два одно- жильных	три одно- жильных	четыре одно- жильных	один двух- жильный	один трех- жильный
0,5	11	-	-	-	-	-
0,75	15	-	-	-	-	-
1	17	16	15	14	15	14
1,5	23	19	17	16	18	15
2,5	30	27	25	25	25	21
4	41	38	35	30	32	27
6	50	46	42	40	40	34
10	80	70	60	50	55	50
16	100	85	80	75	80	70
25	140	115	100	90.	100	85
35	170	135	125	115	125	100
50	215	185	170	150	160	135
70	270	225	210	185	195	175
95	330	275	255	225	245	215
120	385	315	290	260	295	250
150	440	360	330	-	-	-
185	512	-	-	-	-	-
240	605	-	-	-	-	-
300	695	-	-	-	-	-
400	830	-	-	-	-	-
324
2. Провода с резиновой и полихлорвиниловой изоляцией с алю-
миниевыми жилами.
Сечение токопроводящей жилы, .мм2	Токовые нагрузки, А					
	Провода, проложенные открыто	Провода, проложенные в одной трубе				
		два одно- жильных	три одно- жильных	четыре одно- жильных	один двух- жильный	один трех- жильный
2,5	24	20	19	19	19	16
4	32	28	28	23	25	21
6	39	36	32	30	31	26
10	60	50	47	39	42	38
16	75	60	60	55	60	55
25	105	85	80	70	75	65
50	165	140	130	120	125	105
70	210	175	165	140	150	135
95	255	215	200	175	190	165
120	295	245	220	200	230	190
150	340	245	255	-	-	-
185	390	-	-	-	-	-
240	465	-	-	-	-	-
300	535	-	-	-	-	-
400	645	-	-	-	-	-
325
3. Провода с медными жилами, резиновой изоляцией в металли-
ческих защитных оболочках и кабели с медными жилами, резино-
вой изоляцией в свинцовой, полихлорвиниловой, резиновой оболоч-
ках, бронированные и небронированные.
Сечение токо- проводящей жилы, мм1	Токовые нагрузки, Л				
	Провода и кабели				
	одножильные	двухжильные		трехжильные	
	При прокладке				
	в воздухе	в воздухе	в земле	в воздухе	в земле
1,5	23	19	33	19	27
2,5	30	27	44	25	38
4	41	38	55	35	49
6	50	50	70	42	60
10	80	70	105	55	90
16	100	90	135	75	115
25	140	115	175	95	150
35	170	140	210	120	180
50	215	175	265	154	225
70	270	115	320	180	275
120	385	300	445	260	385
150	440	350	505	305	435
185	510	405	570	350	500
240	605	-	-	-	-
326
4. Кабели с алюминиевыми жилами, резиновой или пластмассо-
вой изоляцией в свинцовой, полихлорвиниловой и резиновой оболоч-
ках, бронированные и небронированные.
Сечение токо- проводящей жилы, мм2	Токовые нагрузки, А				
	Провода и кабели				
	одножильные	двухжильные		трехжильные	
	При прокладке				
	в воздухе	в воздухе	в земле	в воздухе	в земле
2,5	23	21	34	19	29
4	31	29	42	27	38
6	38	38	55	32	46
10	60	55	80	42	70
16	75	70	105	60	90
25	105	90	135	75	115
35	130	105	160	90	140
50	165	135	205	110	175
95	250	200	295	170	255
120	295	230	390	200	295
150	340	270	390	235	335
185	390	310	440	270	385
240	465	-	-	-	-
327
5. Кабели с медными жилами с бумажной пропитанной изоляци-
ей в свинцовой или алюминиевой оболочке, прокладываемые в земле.
Сечение токопро- водящей жилы, мм2	Токовые нагрузки, Л					
	Одно- жильные кабели до 1 кВ	Двух- жильные кабели до 1 кВ	Трехжильные кабели			Четырех- жильные кабели до 1 кВ
			до 3 кВ	до 6 кВ	до 10 кВ	
	Максимальная допустимая температура, °C					
	80		80	65	60	80
и	45	35	30	-	-	-
2,5	60	45	40	-	-	-
4	80	60	55	-	-	50
6	105	80	70	—	-	60
10	140	105	95	80	-	85
16	175	140	120	105	95	115
25	235 '	185	160	135	120	150
35	285	225	190	160	150	175
50	360	270	235	200	180	215
70	440	325	285	245	215	265
95	510	380	340	295	265	310
120	595	435	390	340	310	350
328
Приложение 4
Активные сопротивления медных и алюминиевых
проводов при температуре 20 °C
Сечение токопро- водящей жилы, мм2	Активное сопротивле ние, Ом!км		Сечение токопро- водящей жилы, мм2	Активное сопротив- ление, Ом! км	
	медного провода	алюми- ниевого провода		медного провода	алюми- ниевого провода
°’5	36	59	25	0,75	1,18
0,75	24	39,3	35	0,514	0,843
1,0	18	29,5	50	0,36	0,59
1,5	12	19,65	70	0,257	0,4215
2,5	72	11,8	95	0,1895	0,310
4	4,5	7,37	120	0,15	0,2455
6	3	4,315	150	0,12	0,1965
10	1,8	2,95	185	0,0973	0,1593
16	1,125	1,842	240	0,075	0,1227
329
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1.	Глазенко Т.А., Прянишников В.А. Электротехника и основы
электроники. М.: Высшая школа, 1996. — 279 с.
2.	Алиев И.И. Справочник по электротехнике (4-е изд., пере-
раб. и доп.) / Серия «Справочники». Ростов н/Д: Феникс, 2003.
— 480 с., ил.
3.	Электротехнический справочник: В 4 т. / Под ред. И.И. Ор-
лова. 8-е изд. М.: Изд-во МЭИ, 1998. — 518 с.
4.	Перельман Б.Л. Полупроводниковые приборы: Справоч-
ник. М.: Солон, Микротех, 1996. — 176 с.
5.	Алиев И.И., Кондаков В.И., Игнатов В.А. Справочник по
практической электротехнике. М.: МИК ХИС, 1997. — 186 с.
330
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие................................................3
1.	ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА.....................4
1.1.	Области применения электрической энергии постоянного тока...4
1.2.	Основные понятия и определения........................4
1.3.	Закон Ома для участка цепи, не содержащего	э.д.с......7
1.4.	Закон Ома для участка цепи, содержащего	э.д.с.........8
1.5.	Первый закон Кирхгофа.................................8
1.6.	Второй закон Кирхгофа.................................9
1.7.	Составление уравнений для расчета токов в схемах
при помощи законов Кирхгофа...............................10
1.8.	Энергетический баланс в электрических цепях..........11
1.9.	Методы преобразования электрических схем.............12
1.10.	Эквивалентные преобразования звезды
и треугольника резисторов.................................13
1.11.	Замена нескольких параллельных ветвей, содержащих
источники э.д.с., одной эквивалентной.....................15
1.12.	Замена нескольких параллельных ветвей, содержащих
источники тока, одной эквивалентной..................ч....16
1.13.	Режимы работы электрической цепи (линии
электропередачи)..........................................17
1.14.	Выбор проводов по	нагреву...........................20
1.15.	Выбор проводов по	потере напряжения.................20
1.16.	Методы расчета электрических цепей..................21
1.17.	Нелинейные элементы в цепях постоянного тока........30
1.18.	Методы расчета цепей постоянного тока
с нелинейными элементами..................................32
2.	ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ОДНОФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО
ТОКА......................................................36
2.1.	Области применения электрической энергии однофазного
переменного тока.......................<..................36
2.2.	Получение однофазной синусоидальной э.д.с............36
2.3.	Действующее значение синусоидального тока............40
2.4.	Среднее значение синусоидального тока................40
2.5.	Цепь переменного тока с активным сопротивлением......41
331
2.6.	Цепь	переменного	тока	с	идеальной катушкой индуктивности .. 42
2.7.	Цепь	переменного	тока	с	идеальным конденсатором.....43
2.8.	Цепь	переменного	тока	с	катушкой индуктивности .....45
2.9.	Цепь	переменного	тока	с	конденсатором...............46
2.10.	Комплексный метод расчета цепей переменного тока....47
2.11.	Закон Ома в комплексной форме записи...............50
2.12.	Комплексная проводимость...........................51
2.13.	Активная, реактивная и полная мощность цепи
переменного тока.........................................52
2.14.	Комплексная форма	записи	мощностей...............53
2.15.	Законы Кирхгофа в	комплексной	форме записи.........54
2.16.	Цепь переменного тока с последовательным соединением
элементов..............................................  54
2.17.	Цепь переменного тока с параллельным соединением
элементов................................................57
2.18.	Повышение коэффициента мощности coscp..............61
2.19.	Падение и потеря напряжения в линии передачи
переменного тока.........................................62
3.	ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ТРЕХФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО
ТОКА.....................................................64
3.1.	Получение трехфазной системы э.д.с..................64
3.2.	Четырехпроводная трехфазная	цепь....................66
3.3.	Трехпроводная трехфазная цепь при соединении
потребителей в звезду....................................71
3.4.	Трехпроводная трехфазная цепь
при соединении потребителей в треугольник................75
3.5.	Мощность трехфазной цепи............................79
4.	ТРАНСФОРМАТОРЫ........................................81
4.1.	Устройство однофазного трансформатора и принцип
его действия.............................................81
4.2.	Режим холостого хода................................82
4.3.	Рабочий режим.......................................85
4.4.	Режим короткого замыкания...........................87
4.5.	Коэффициент полезного действия трансформатора.......88
4.6.	Трехфазные трансформаторы...........................89
4.7.	Параллельная работа трансформаторов.................90
332
4.8.	Специальные трансформаторы............................92
5.	МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА................................98
5.1.	Устройство и принципы действия машин постоянного тока.98
5.2.	Реакция'якоря машин постоянного тока.................102
5.3.	Коммутация ..........................................103
5.4.	Классификация генераторов постоянного тока по способу
возбуждения...............................................103
5.5.	Генератор постоянного тока независимого возбуждения...105
5.6.	Генератор постоянного тока последовательного
возбуждения..............................................110
5.7.	Генератор постоянного тока смешанного возбуждения.....112
5.8.	Классификация двигателей постоянного тока по способу
возбуждения..............................................114
5.9.	Двигатель постоянного тока независимого возбуждения...114
5.10.	Двигатель постоянного тока параллельного возбуждения.119
5.11.	Двигатель постоянного тока последовательного
возбуждения..............................................120
5.12.	Двигатель постоянного тока смешанного
возбуждения..............................................124
5.13.	Коэффициент полезного действия машины
постоянного тока.........................................125
6.	МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА...............................127
6.1.	Принцип действия асинхронного	двигателя..............127
6.2.	Устройство трехфазного асинхронного	двигателя.........127
6.3.	Электромагнитные процессы в трехфазном асинхронном
двигателе................................................131
6.4.	Основные характеристики трехфазного асинхронного
двигателя................................................134
6.5.	Пуск и реверсирование трехфазных асинхронных
двигателей...............................................138
6.6.	Включение трехфазного асинхронного двигателя
в однофазную сеть........................................140
6.7.	Однофазные асинхронные двигатели.....................141
6.8.	Принцип действия и конструкция синхронных	машин.......142
6.9.	Основные характеристики синхронных генераторов.......144
333
6.10.	Включение трехфазного синхронного генератора
на параллельную работу с сетью...........................148
6.11.	Пуск в ход синхронного двигателя...................150
6.12.	Основные характеристики трехфазного синхронного
двигателя................................................151
7.	ЭЛЕКТРОПРИВОД.........................................155
7.1.	Выбор мощности электродвигателя для длительной
переменной нагрузки......................................156
7.2.	Выбор мощности электродвигателя для кратковременного
режима работы............................................162
7.3.	Выбор мощности электродвигателя для повторно-
кратковременного режима работы...........................164
7.4.	Типовые схемы управления электродвигателями ........169
8.	ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕТИ....................................174
8.1.	Классификация электрических сетей...................174
8.2.	Требования, предъявляемые к электрическим сетям,
и выбор сечения проводов.................................176
8.3.	Защита проводов электрических линий от токов короткого
замыкания и перегрузок...................................183
8.4.	Электрические источники света.......................190
8.5.	Осветительные приборы...............................194
8.6.	Системы и виды освещения промышленных объектов......197
8.7.	Расчет электрического освещения.....................200
9.	ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ...............................207
9.1.	Общие сведения......................................207
9.2.	Погрешности измерений...............................207
9.3.	Классификация электроизмерительных приборов.........211
9.4.	Измерение токов.....................................212
9.5.	Измерение напряжений................................213
9.6.	Измерение сопротивлений.............................215
9.7.	Измерение активной мощности в цепях постоянного
и однофазного переменного токов..........................218
9.8.	Измерение активной мощности в трехфазных цепях......219
9.9.	Измерение энергии...................................223
9.10.	Электрические измерения неэлектрических величин....223
334
10.	ЭЛЕКТРОНИКА.........................................227
10.1.	Общие сведения об электровакуумных	приборах........227
10.2.	Двухэлектродная лампа — диод.......................227
10.3.	Трехэлектродная лампа — триод......................230
10.4.	Четырехэлектродная лампа — тетрод..................233
10.5.	Пятиэлектродная лампа — пентод.....................234
10.6.	Комбинированные и многоэлектродные лампы...........234
10.7.	Электронно-лучевые трубки..........................235
10.8.	Электропроводность полупроводников.................236
10.9.	Электронно-дырочный переход......................  238
10.10.	Полупроводниковые диоды...........................240
10.11.	Транзисторы.......................................248
10.12.	Силовые полупроводниковые	приборы.................264
10.13.	Полупроводниковые оптоэлектронные приборы.........270
10.14.	Микроэлектроника..................................282
11.	ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА..............................290
11.1.	Неуправляемые полупроводниковые выпрямители........290
11.2.	Управляемые полупроводниковые выпрямители .........294
11.3.	Электронные усилители..............................296
11.4.	Режим работы усилителей............................302
11.5.	Генераторы синусоидальных колебаний................307
11.6.	Генераторы пилообразного напряжения................312
11.7.	Мультивибраторы................................... 314
11.8.	Логические элементы................................317
Приложение 1. Единицы электрических и магнитных величин
в системе СИ..........................................322
Приставка для дольных и кратных единиц.................. 322
Приложение 2. Свойства проводниковых материалов
при температуре 20 °C...............................  323
Приложение 3. Допустимые длительные токовые нагрузки
на провода, шнуры и кабели с резиновой
или пластмассовой изоляцией...........................324
Приложение 4. Активные сопротивления медных и алюминиевых
проводов при температуре 20 °C........................329
Рекомендуемая литература.................................330
335
Среднее профессиональное образование
Бондарь И. М.
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА
Учебное пособие
Художественное оформление: И. Лойкова
Корректор: Т. Лазарева
Компьютерная верстка: А. Алейникова
Подписано в печать с оригинал-макета 29.09.2004.
Формат 60х84*/16. Бумага газетная.
Гарнитура Times. Печать офсетная.
Тираж 5000 экз. Заказ 3274.
Издательский центр «Март»
344002, г. Ростов-на-Дону, ул. Темерницкая, 78
тел.: (8632) 69-80-13, 40-86-48, 40-90-22
E-mail: mart@martdon.ru
Web: http://www.martdon.ru
Издательско-книготорговый центр «Март»
121059, Москва, ул. Брянская, д. 7, офис 312
тел.: (095) 241-59-91, 244-78-05, 243-51-58
E-mail: mart.m@astelit.ru
Изготовлено с готовых диапозитивов в АПП «Джангар»
358000, T. Элиста, ул. Ленина, 245
ISBN 5-241-00462-9
785241
004628