Безкоштовна технічна бібліотека

Загальна електроніка та електротехніка. Шпаргалка: коротко, найголовніше

Довідник / Конспекти лекцій, шпаргалки

Коментарі до статті

Зміст

1. Історія електроніки
2. напівпровідникові прилади
3. Рух електронів у однорідному електричному полі
4. Рух електронів у неоднорідному електричному полі
5. Рух електронів у однорідному магнітному полі
6. Електрони у твердих тілах
7. Власна електронна та дірочна електропровідність
8. Домішка електропровідність
9. Дифузія носіїв заряду у напівпровідниках
10. Електронно-дірковий перехід за відсутності зовнішньої напруги
11. Електронно-дірковий перехід при дії прямої напруги
12. Електронно-дірковий перехід при зворотній напрузі
13. Вольт-амперна характеристика напівпровідникового діода
14. Місткість напівпровідникового діода
15. Застосування напівпровідникових діодів для випрямлення змінного струму
16. Загальні відомості про транзисторів
17. Фізичні процеси у транзисторі
18. Основні схеми включення транзисторів
19. Частотні властивості транзисторів
20. Імпульсний режим транзисторів
21. Основні типи транзисторів
22. Загальні відомості про електровакуумні прилади та принципи їх класифікації
23. Пристрій та принцип роботи діода
24. Тріод та його ланцюги
25. Прості та складні катоди
26. Катоди прямого та непрямого напруження
27. Закон ступеня трьох других для діода
28. Фізичні процеси у тріоді
29. Діюча напруга та закон ступеня трьох других для тріода
30. Струм сітки в тріоді
31. Робочі характеристики тріода
32. Пристрій та робота тетроду
33. Динатронний ефект у тетроді
34. Пристрій та робота пентода
35. Параметри тетродів та пентодів
36. Пристрій та робота променевого тетроду
37. Принцип перетворення частоти
38. Лампи для перетворення частоти
39. Характеристики та параметри ламп з подвійним керуванням
40. Спеціальні типи приймально-підсилювальних ламп
41. Види електричних розрядів у газах
42. Тліючий розряд
43. Стабілітрони
44. Газотрони
45. Тиратрони дугового розряду
46. Електронно-променеві трубки
47. Особливості роботи ламп на надвисоких частотах
48. Вхідний опір та втрати енергії в лампах
49. Пролітний клістрон
50. Лампи біжучої та зворотної хвилі
51. Загальні поняття про електрику та електронну теорію
52. Закон Кулону. Електричне поле
53. Провідник та діелектрик в електричному полі
54. Найголовніші електроізоляційні матеріали
55. Концепція електричного струму. Закон Ома
56. З'єднання провідників між собою. Перший закон Кірхгофа
57. Другий закон Кірхгофа. Метод накладання
58. Електроліз. Перший та другий закони Фарадея
59. Акумулятори
60. Електричні лампи розжарювання
61. Електрозварювання
62. Електромагнетизм
63. Електромагнітна індукція
64. Отримання змінного струму
65. Ланцюги змінного струму
66. Коливальний контур
67. Трифазний змінний струм
68. Трансформатори
69. Пристрій та типи трансформаторів
70. Асинхронні двигуни
71. Синхронні генератори
72. Пристрій генератора постійного струму
73. Типи генераторів постійного струму
74. Електродвигуни
75. Випрямлячі
76. Електровимірювальні прилади
77. Влаштування вимірювальних приладів
78. Вимірювальні трансформатори
79. Реостати
80. Вимірювання активної електричної потужності
81. Вимірювання активної електричної енергії
82. Електричний привід
83. Ізоляція, форми виконання та охолодження електричних машин
84. Захист електричних двигунів
85. Контактори та контролери
86. Способи запуску двигунів
87. Регулювання швидкості обертання електричних двигунів
88. Акумуляторні батареї
89. Режим роботи акумуляторних батарей
90. Техніка безпеки в електричних пристроях

Фундамент для виникнення та розвитку електроніки було закладено роботами фізиків у XVIII та XIX ст. Перші у світі дослідження електричних розрядів у повітрі були здійснені у XVIII ст. у Росії академіками Ломоносовим и Ріхманом і незалежно від них американським вченим Франкліном. Важливою подією стало відкриття електричної дуги академіком Петровим в 1802 р. Дослідження процесів проходження електричного струму в розріджених газах проводили в минулому столітті в Англії Крукс, Томсон, Тоунсенд, Астон, в Німеччині Гейслер, Гітторф, Плюккер та ін. У 1873 р. Лодигін винайшов перший у світі електровакуумний прилад – лампу розжарювання. Незалежно від нього дещо пізніше таку ж лампу створив та вдосконалив американський винахідник Едісон. Електрична дуга вперше була застосована для освітлення Яблучковим 1876 ​​р. 1887 р. німецький фізик Герц відкрив фотоелектричний ефект

Термоелектронна емісія була відкрита 1884 р. Едісоном. В 1901 Річардсон провів детальне дослідження термоелектронної емісії. Перша електронно-променева трубка з холодним катодом була створена 1897 року. Брауном (Німеччина). Використання електронних приладів у радіотехніці почалося з того, що 1904 р. англійський вчений Флемінг застосував двоелектродну лампу з розжареним катодом для випрямлення високочастотних коливань у радіоприймачі. У 1907 р. американський інженер Лі-де-Форест ввів у лампу управління сітку, тобто створив перший тріод. У тому ж році професор Петербурзького технологічного інституту Розінг запропонував застосувати електронно-променеву трубку для прийому телевізійних зображень та в наступні роки здійснив експериментальне підтвердження своїх ідей. У 1909-191 1 рр. в Росії Коваленко створив перші тріоди посилення дальнього телефонного зв'язку. Важливе значення мало винахід підігрівного катода Чернишовим в 1921 р. У 1926 р. Хелл у США вдосконалив лампи з сіткою, що екранує, а в 1930 р. він запропонував пентод, що став однією з найбільш поширених ламп. У 1930 р. Кубецький винайшов фотоелектронні помножувачі, в конструкції яких значний внесок зробили Векшинський та Тимофєєв. Першу пропозицію про спеціальні передавальні телевізійні трубки зробили незалежно один від одного в 1930-1931 роках. Костянтинов та Катаєв. Подібні трубки, названі іконоскопами, побудував у США Зворикін.

Винахід таких трубок відкрив нові широкі можливості для розвитку телебачення. Дещо пізніше в 1933 р. Шмаков и Тимофєєв запропонували нові чутливіші передавальні трубки (супериконоскопи або суперемітрони), що дозволили вести телевізійні передачі без сильного штучного освітлення. Російський радіофізик Рожанівський 1932 р. запропонував створити нові прилади з модуляцією електронного потоку за швидкістю. За його ідеями Арсеньєва та Хейль у 1939 р. побудували перші такі прилади для посилення та генерації коливань НВЧ, названі прогоновими клістронами. У 1940 р. Коваленко винайшов простіший відбивний клістрон, який широко використовується для генерування коливань НВЧ.

Велике значення для техніки дециметрових хвиль мали роботи Дев'яткова, Данильцева, Хохлова и Гуревича, які у 1938-1941 pp. сконструювали спеціальні тріоди з пласкими дисковими електродами. За цим принципом у Німеччині були випущені металокерамічні та в США ма-ячкові лампи.

2. НАПІВПРОВІДНИКОВІ ПРИЛАДИ

Порівняно з електронними лампами у напівпровідникових приладів є суттєві переваги:

1) мала вага та малі розміри;

2) відсутність витрат енергії на напруження;

3) більш висока надійність у роботі та великий термін служби (до десятка тисяч годин);

4) велика механічна міцність (стійкість до трясіння, ударів та інших видів механічних навантажень);

5) різні пристрої (випрямлячі, підсилювачі, генератори) з напівпровідниковими приладами мають високий ККД, оскільки втрати енергії у самих приладах незначні;

6) малопотужні пристрої з транзисторами можуть працювати при дуже низьких напругах живлення;

7) принципи влаштування та роботи напівпровідникових приладів використані для створення нового важливого напряму розвитку електроніки – напівпровідникової мікроелектроніки.

Разом з тим напівпровідникові прилади в даний час мають наступні недоліками:

1) параметри та характеристики окремих екземплярів приладів даного типу мають значний розкид;

2) властивості та параметри приладів сильно залежать від температури;

3) спостерігається зміна властивостей приладів із часом (старіння);

4) їхні власні шуми часом більше, ніж у електронних приладів;

5) більшість типів транзисторів непридатні до роботи на частотах вище десятків мегагерц;

6) вхідний опір у більшості транзисторів значно менший, ніж у електронних ламп;

7) транзистори поки що не виготовляють для таких великих потужностей, як електровакуумні прилади;

8) робота більшості напівпровідникових приладів різко погіршується під впливом радіоактивного випромінювання.

Транзистори успішно застосовуються в підсилювачах, приймачах, передавачах, генераторах, телевізорах, вимірювальних приладах, імпульсних схемах, електронних рахункових машинах та ін.

Ведуться дослідження щодо покращення напівпровідникових приладів щодо застосування для них нових матеріалів. Створено напівпровідникові випрямлячі на струми у тисячі ампер. Застосування кремнію замість германію дозволяє експлуатувати прилади при температурі до 125" С і вище. Створено транзистори для частот до сотень мегагерц і більше, а також нові типи напівпровідникових приладів для надвисоких частот. Заміна електронних ламп напівпровідниковими приладами успішно здійснена в багатьох радіотехнічних пристроях. велика кількість напівпровідникових діодів та транзисторів різних типів.

3. РУХ ЕЛЕКТРОНІВ В ОДНОРОДНОМУ ЕЛЕКТРИЧНОМУ ПОЛІ

Взаємодія електронів з електричним полем є основним процесом в електровакуумних та напівпровідникових приладах.

Електрон є часткою матерії з негативним електричним зарядом, який має абсолютне значення e = 1,610-19Кл. Маса нерухомого електрона дорівнює m = 9,110-28г. Зі зростанням швидкості руху маса електронів збільшується. теоретично при швидкості руху, що дорівнює = 3·108м/с, маса електрона повинна стати нескінченно великою. У звичайних електровакуумних приладах швидкість електронів вбирається у 0,1с. У цьому умови вважатимуться масу електрона постійної, рівної т.

Якщо різницю потенціалів між електродами U, а відстань з-поміж них d, то напруженість поля дорівнює: Е= U/d. Для електричного однорідного поля величина Е є постійною.

Нехай з електрода, що має нижчий потенціал, наприклад, з катода, вилітає електрон з кінетичною енергією W0 і початковою швидкістю v0, спрямованої вздовж силових ліній поля. Поле діє на електрон і прискорює рух до електрода, що має більш високий потенціал, наприклад до анода. Тобто електрон притягується до електрода з вищим потенціалом. В даному випадку поле називається що прискорює.

У прискорюючому полі відбувається збільшення кінетичної енергії електрона з допомогою роботи з переміщення електрона. Відповідно до закону збереження енергії збільшення кінетичної енергії електрона W-W0 дорівнює роботі поля, яка визначається добутком заряду, що переміщується, е на пройдену ним різницю потенціалів U: WW! = mv2/2 - mv20/2 = eU. Якщо початкова швидкість електрона дорівнює нулю, W0 = mv20/2 = 0 і W=mv2/2 = eU, тобто кінетична енергія електрона дорівнює роботі поля. Швидкість електрона в прискорюючому полі залежить від пройденої різниці потенціалів.

Нехай напрямок початкової швидкості електрона v0 протилежний силі F, що діє на електрон з боку поля, тобто електрон вилітає з деякою початковою швидкістю з електрода з більш високим потенціалом. Оскільки сила F спрямована назустріч швидкості v0, то електрон гальмується і рухається прямолінійно, рівномірно уповільнено. Поле в цьому випадку називається гальмуючим. Отже, це поле для одних електронів прискорює, а для інших - гальмує в залежності від напрямку початкової швидкості електрона. У гальмівному полі електрон віддає енергію полю. У зворотному напрямку електрон рухається без початкової швидкості в полі, що прискорює, яке повертає електрону енергію, втрачену ним при уповільненому русі.

Якщо електрон влітає з початковою швидкістю v0 під прямим кутом до напрямку силових ліній поля, поле діє на електрон з силою F, що визначається за формулою f = eE і спрямованої в бік більш високого потенціалу. За відсутності сили Рпотенціал зробив би рівномірний рух за інерцією зі швидкістю v0. А під дією сили F електрон повинен рівноприскорено рухатися в напрямку перпендикулярному v0. Результуючий рух електрона відбувається параболі, причому електрон відхиляється у бік позитивного електрода. Якщо електрон не потрапляє на цей електрод і вийде за межі поля, далі він рухатиметься за інерцією прямолінійно і рівномірно. Електрон рухається деякою параболі, причому або потрапляє на один з електродів, або виходить за межі поля.

Електричне поле завжди змінює у той чи інший бік кінетичну енергію та швидкість електрона. Таким чином, між електроном та електричним полем завжди є енергетична взаємодія, тобто обмін енергією. Якщо початкова швидкість електрона спрямована не вздовж силових ліній, а під деяким кутом до них, електричне поле ще й викривляє траєкторію електрона.

4. РУХ ЕЛЕКТРОНІВ У НЕОДНОРОДНОМУ ЕЛЕКТРИЧНОМУ ПОЛІ

Для неоднорідних електричних полів характерна різноманітна і найчастіше складна структура. Існує безліч не схожих один на одного неоднорідних полів, в яких напруженість від точки до точки змінюється за різними законами, а силові лінії зазвичай є криві тієї чи іншої форми. Найбільш простим є часто зустрічається в електровакуумних приладах радикальне неоднорідне поле, що утворюється між циліндричними електродами. Якщо початкова швидкість електрона, що вилетів з поверхні внутрішнього електрода, спрямована вздовж силових ліній, електрон рухатиметься прямолінійно і прискорено по радіусу. Але в міру віддалення від внутрішнього електрода напруженість поля та сила, що діє на електрон, стає меншою, а отже, зменшується і прискорення.

У загальному випадку неоднорідне полі має силові лінії як кривих ліній. Якщо це поле є таким, що прискорюється, то електрон з початковою швидкістю v0 рухається по криволінійній траєкторії, що має такий же характер кривизни, як і силові лінії. На електрон діє з боку поля сила F, спрямована під кутом до вектора швидкості електрона. Ця сила викривляє траєкторію електрона та збільшує його швидкість. При цьому траєкторія електрона не збігається із силовою лінією. Якби електрон не мав масу, а отже, і інерцію, то він рухався б по силовій лінії. Однак електрон має масу і прагне рухатися інерцією прямолінійно зі швидкістю, придбаною за час попереднього руху. Сила, що діє на електрон, спрямована по дотичній до силової лінії та у разі кривих силових ліній утворює деякий кут з вектором швидкості електрона. Тому траєкторія електрона викривляється, але "відстає" у цьому викривленні від силової лінії через інерцію електрона.

У разі неоднорідного гальмівного поля з кривими силовими лініями сила, що діє на електрон з боку поля, також викривляє траєкторію електрона і змінює величину його швидкості. Але викривлення траєкторії виходить у бік, протилежну тій, куди викривляються силові лінії, тобто траєкторія електрона прагне відійти від силової лінії. У цьому швидкість електрона зменшується, оскільки він перетворюється на точки з більш негативним потенціалом.

Розглянемо рух потоку електронів у неоднорідному полі, нехтуючи для простоти взаємодією електронів. Нехай електронний потік рухається в неоднорідному полі, що прискорює, яке симетрично щодо середньої прямої силової лінії. В даному випадку у напрямку руху електронів силові лінії сходяться, тобто напруженість поля зростає. Умовимося таке поле називати схожим.

Нехай у поле влітає потік електронів, швидкості яких спрямовані паралельно. Траєкторії електронів викривляються у той самий бік, куди викривлені силові лінії. І лише середній електрон рухається прямолінійно вздовж середньої силової лінії. В результаті електрони зближуються, тобто виходить фокусування електронного потоку, що нагадує фокусування світлового потоку за допомогою лінзи, що збирає. З іншого боку, збільшуються швидкості електронів.

Якщо силові лінії у напрямку руху електронів розходяться, поле можна умовно назвати розбіжним. У ньому електронний потік розсіюється, так як у електронів траєкторії при викривленні віддаляються один від одного. Тому прискорююче розбіжне поле є для електронного потоку лінзою, що розсіює.

Якщо поле буде гальмуючий, що сходить, то відбувається не фокусування, а розсіювання електронів зі зменшенням їх швидкості. І навпаки, в полі, що гальмує розходиться, виходить фокусування електронного потоку.

5. РУХ ЕЛЕКТРОНІВ В ОДНОРОДНОМУ МАГНІТНОМУ ПОЛІ

У деяких електровакуумних приладах використовують рух електронів у магнітному полі.

Розглянемо випадок, коли електрон влітає в однорідне магнітне поле з початковою швидкістю v0, спрямованої перпендикулярно магнітним силовим лініям. У цьому випадку на електрон, що рухається, діє так звана сила Лоренца F, яка перпендикулярна вектору н0 і вектору напруженості магнітного поля Н. Величина сили F визначається виразом: F= ev0H.

При v0 = 0 сила дорівнює нулю, тобто на нерухомий електрон магнітне поле не діє.

Сила F викривляє траєкторію електрона в дугу кола. Оскільки сила F діє під прямим кутом до швидкості н0, вона виконує роботи. Енергія електрона та його швидкість не змінюються за величиною. Відбувається лише зміна напряму швидкості. Відомо, що рух тіла по колу (обертання) з постійною швидкістю виходить завдяки дії спрямованої до центру доцентрової сили, якою саме і є сила F.

Напрямок повороту електрона в магнітному полі відповідно до правила лівої руки зручно визначається за такими правилами. Якщо дивитися у напрямку магнітних силових ліній, то електрон рухається за годинниковою стрілою. Інакше кажучи, поворот електрона збігається з обертальним рухом гвинта, який загвинчується у напрямку магнітних силових ліній.

Визначимо радіус r кола, що описується електроном. Для цього скористаємося виразом для доцентрової сили, відомим з механіки: F = mv20/r. Прирівняємо його значення сили F = ev0H: mv20/r = ev0H. Тепер із цього рівняння можна знайти радіус: r= mv0/(eH).

Чим більша швидкість електрона v0, тим сильніше він прагне рухатися прямолінійно за інерцією і радіус викривлення траєкторії буде більшим. З іншого боку, зі збільшенням Н зростає сила F, викривлення траєкторії зростає і радіус кола зменшується.

Виведена формула справедлива для руху в магнітному полі частинок з будь-якими масами та зарядом.

Розглянемо залежність rот mі e. Заряджена частка з більшою масою сильніше прагне летіти за інерцією прямолінійно і викривлення траєкторії зменшиться, тобто стане більше. А чим більший заряд e, тим більша сила F і тим сильніше викривляється траєкторія, тобто її радіус стає меншим.

Вийшовши за межі магнітного поля, електрон далі летить за інерцією прямої лінії. Якщо ж радіус траєкторії малий, то електрон може описувати в магнітному полі замкнуті кола.

Таким чином, магнітне поле змінює тільки напрямок швидкості електронів, але не її величину, тобто між електроном і магнітним полем немає енергетичної взаємодії. У порівнянні з електричним полем дія магнітного поля на електрони є більш обмеженою. Саме тому магнітне поле застосовується для впливу на електрони значно рідше, ніж електричне поле.

6. ЕЛЕКТРОНИ У ТВЕРДИХ ТІЛАХ

Сучасною фізикою доведено, що електрони в тілі не можуть володіти довільними енергіями. Енергія кожного електрона може набувати лише певних значень. рівнями енергії (або енергетичними рівнями).

Електрони, розташовані ближче до ядра атома, мають менші енергії, тобто знаходяться на нижчих енергетичних рівнях. Щоб видалити електрон від ядра, треба подолати взаємне тяжіння між електроном та ядром. Для цього треба витратити певну енергію. Тому віддалені від ядра електрони мають великі енергії; вони знаходяться на вищих енергетичних рівнях.

Коли електрон переходить з більш високого енергетичного рівня на нижчий, виділяється певна кількість енергії, яка називається квантом (або фотоном). Якщо атом поглинає один квант енергії, то електрон переходить із нижчого енергетичного рівня більш високий. Отже, енергія електронів змінюється лише квантами, т. е. певними порціями.

Розподіл електронів за рівнем енергії зображують схематично: по вертикалі відкладають енергію Wелектрона, а горизонтальними лініями показують рівні енергії.

Відповідно до так званої зони теорією твердого тіла енергетичні рівні поєднуються в окремі зони. Електрони зовнішньої оболонки атома заповнюють ряд енергетичних рівнів, що становлять валентну зону. Нижчі енергетичні рівні входять до складу інших зон, заповнених електронами, але ці зони не відіграють роль явищах електропровідності і тому вони не зображуються на малюнку. У металах та напівпровідниках існує велика кількість електронів, що знаходяться на I вищих енергетичних рівнях. Ці рівні становлять зону провідності. Електрони цієї зони, які називаються електронами провідності, здійснюють безладний рух усередині тіла, переходячи від одних атомів до інших. Саме електрони провідності забезпечують високу електропровідність металів.

Атоми речовини, що віддали електрони в зону провідності, можна як позитивні іони. Вони розташовуються у порядку, утворюючи просторові грати, звану інакше іонної, чи кристалічної. Стан цієї решітки відповідає рівновазі сил взаємодії між атомами та мінімальному значенню загальної енергії всіх частинок тіла. Усередині просторових ґрат відбувається безладний рух електронів провідності.

Інша енергетична структура й у діелектриків. У них між зоною провідності та валентною зоною існує заборонена зона, що відповідає рівням енергії, на яких електрони не можуть бути.

При нормальній температурі у діелектриків у зоні провідності є лише дуже невелика кількість електронів і тому діелектрик має мізерно малу провідність. Але при нагріванні деякі електрони валентної зони, отримуючи додаткову енергію, переходять у зону провідності, і тоді діелектрик набуває помітної електропровідності.

Напівпровідники за низьких температур є діелектриками, а при нормальній температурі значна кількість електронів переходить з валентної зони в зону провідності.

В даний час для виготовлення напівпровідникових приладів найбільш широко використовують германій і кремній, що мають валентність, що дорівнює 4. Просторові кристалічні грати германію або кремнію складається з атомів, пов'язаних один з одним валентними електронами. Такий зв'язок називається ковалентним або парноелектронним.

7. ВЛАСНА ЕЛЕКТРОННА І ДІРОЧНА ЕЛЕКТРОПРОВІДНОСТІ

Напівпровідники є речовинами, які за своєю питомою електричною провідністю займають середнє місце між провідниками і діелектриками.

Для напівпровідників характерний негативний температурний коефіцієнт електричного опору. При зростанні температури опір напівпровідників зменшується, а чи не збільшується, як і більшості твердих провідників. Крім того, електричний опір напівпровідників дуже залежить від кількості домішок, а також від таких зовнішніх впливів, як світло, електричне поле, іонізуюче випромінювання та ін.

У напівпровідниках є електропровідність двох видів. Так само як і метали, напівпровідники мають електронну електропровідність, яка обумовлена ​​переміщенням електронів провідності. При звичайних робочих температурах у напівпровідниках завжди є електрони провідності, які дуже слабко пов'язані з ядрами атомів і здійснюють безладний тепловий рух між атомами кристалічних ґрат. Ці електрони під дією різниці потенціалів можуть отримати додатковий рух у певному напрямку, який і є електричним струмом.

Напівпровідники мають також діркову електропровідність, яка не спостерігається в металах. У напівпровідниках кристалічні грати досить міцні. Її іони, т. е. атоми, позбавлені одного електрона, не пересуваються, а залишаються на своїх місцях.

Відсутність електрона в атомі умовно назвали діркою. Цим підкреслюють, що у атомі бракує одного електрона, т. е. утворилося вільне місце. Дірки поводяться як елементарні позитивні заряди.

При дірковій електропровідності насправді теж переміщуються електрони, але обмеженіше, ніж за електронної електропровідності. Електрони переходять із даних атомів лише у сусідні. Результатом цього є переміщення позитивних зарядів - дірок - у напрямку, протилежному до руху електронів.

Електрони та дірки, які можуть переміщатися і тому створювати електропровідність, називають рухомими носіями заряду або просто носіями заряду. Прийнято говорити, що під впливом теплоти відбувається генерація пар носіїв заряду, т. е. з'являються пари: електрон провідності - дірка провідності.

Внаслідок того, що електрони та дірки провідності здійснюють хаотичний тепловий рух, обов'язково відбувається і процес, зворотний генерації пар носіїв. Електрони провідності знову займають вільні місця у валентній зоні, тобто поєднуються з дірками. Таке зникнення пар носіїв називається рекомбінацією носіїв заряду Процеси генерації та рекомбінації пар носіїв завжди відбуваються одночасно.

Напівпровідник без домішок називають власним напівпровідником. Він має власну електропровідність, яка складається з електронної та діркової електропровідності. При цьому, незважаючи на те, що кількість електронів та дірок провідності у власному напівпровіднику однаково, електронна електропровідність переважає, що пояснюється більшою рухливістю електронів у порівнянні з рухливістю дірок.

8. ПРИМІСНА ЕЛЕКТРОПРОВІДНІСТЬ

Якщо напівпровіднику є домішки інших речовин, то додатково до власної електропровідності з'являється ще домішкова електропровідність, яка залежно від роду домішки може бути електронною або дірковою. Наприклад, германій, будучи чотиривалентним, має домішкову електронну електропровідність, якщо до нього додані пятивалентные сурма і миш'як. Їхні атоми взаємодіють з атомами германію лише чотирма своїми електронами, а п'ятий електрон віддають у зону провідності. В результаті виходить кілька додаткових електронів провідності. Домішки, у яких атоми віддають електрони, називають донорами. Атоми донорів, втрачаючи електрони, самі заряджаються позитивно.

Напівпровідники з переважанням електронної електропровідності називають електронними напівпровідниками або напівпровідниками п-типу.

Речовини, що відбирають електрони та створюють домішкову дірочну електропровідність, називають акцепторами. Атоми акцепторів, захоплюючи електрони, заряджаються негативно.

Напівпровідники з домінуванням діркової електропровідності називають дірковими напівпровідниками або напівпровідниками р-типу.

У напівпровідникових приладах використовуються переважно напівпровідники, що містять донорні або акцепторні домішки і звані домішковими. При нормальних робочих температурах у таких напівпровідниках всі атоми домішки беруть участь у створенні домішкової електропровідності, т. е. кожен атом домішки або віддає, або захоплює один електрон.

Щоб домішкова електропровідність переважала над власною, концентрація атомів донорної домішки чи акцепторної домішки має перевищувати концентрацію власних носіїв заряду.

Носії заряду, концентрація яких у цьому напівпровіднику переважає, називаються основними. Ними є електрони у напівпровіднику п-типу та дірки у напівпровіднику р-типу. Неосновними називають носії заряду, концентрація яких менша, ніж концентрація основних носіїв. Концентрація неосновних носіїв у домішковому напівпровіднику зменшується в стільки разів, скільки збільшується концентрація основних носіїв.

Якщо у Німеччині було певне число електронів, а після додавання донорної домішки концентрація електронів зросла в 1000 разів, то концентрація неосновних носіїв (дірок) зменшиться в 1000 разів, тобто буде в мільйон разів менше концентрації основних носіїв. Це пояснюється тим, що при збільшенні в 1000 разів концентрації електронів провідності, отриманих від донорних атомів, нижні енергетичні рівні зони провідності виявляються зайнятими і перехід електронів з валентної зони можливий лише на рівні зони провідності. Але для такого переходу електрони повинні мати більшу енергію і тому значно менше електронів може його здійснити. Відповідно значно зменшується кількість дірок провідності у валентній зоні.

Таким чином, мізерно мала кількість домішки істотно змінює характер електропровідності та величину провідності напівпровідника. Отримання напівпровідників з таким малим і дозованим вмістом потрібної домішки є дуже складним процесом. При цьому вихідний напівпровідник, до якого додається домішка, має бути дуже чистим.

9. ДИФУЗІЯ НОСІЇВ ЗАРЯДУ У НАПІВПРОВІДНИКАХ

У напівпровідниках, крім струму провідності, може бути дифузійний струм, причиною виникнення якого є не різниця потенціалів, а різниця концентрацій носіїв. З'ясуємо суть цього струму.

Якщо концентрація носіїв заряду розподілена рівномірно по напівпровіднику, вона є рівноважною. Під впливом будь-яких зовнішніх впливів у різних частинах напівпровідника концентрація може стати неоднаковою, тобто нерівноважною. Наприклад, якщо частина напівпровідника піддати дії випромінювання, то в ній посилиться процес генерації пар носіїв та виникне додаткова концентрація носіїв, звана надлишкової.

Так як носії мають власну кінетичну енергію, то вони завжди прагнуть переходити з місць з більш високою концентрацією до місць з меншою концентрацією,т. е. прагнуть вирівнювання концентрації.

Явище дифузії спостерігається багатьом частинок речовини, а чи не лише рухливих носіїв заряду. Завжди причиною дифузії є неоднаковість концентрації частинок, а сама дифузія відбувається за рахунок власної енергії теплового руху частинок.

Дифузний рух рухомих носіїв заряду (електронів та дірок) є дифузним струмом /. Цей струм, як і струм провідності, може бути електронним або дірковим. Щільності цих струмів визначаються такими формулами: i = eDn ?n /?x і ip=- eDp?p /?x, де величини? дифузії. Градієнт концентрації характеризує, наскільки різко змінюється концентрація вздовж відстані х, тобто яка зміна концентрації nабо pна одиницю довжини. Якщо різниці концентрації немає, то n = 0 або ? p = 0 і ніякого струму дифузії не виникає. Чим більше зміна концентрації ?n чи ?p на даній відстані ?x, тим більше струм дифузії.

Коефіцієнт дифузії характеризує інтенсивність процесу дифузії. Він пропорційний рухливості носіїв, різний щодо різних речовин залежить від температури. Коефіцієнт дифузії для електронів завжди більший, ніж для дірок.

Знак "мінус" у правій частині формули для щільності діркового дифузійного струму поставлено тому, що дірковий струм спрямований у бік зменшення концентрації дірок.

Якщо за рахунок якогось зовнішнього впливу в деякій частині напівпровідника створена надмірна концентрація носіїв, а потім зовнішня дія припинилася, надлишкові носії будуть рекомбінувати і поширюватися шляхом дифузії в інші частини напівпровідника.

Величина, що характеризує процес зменшення надмірної концентрації в часі, називається часом життя нерівноважних носіїв.

Рекомбінація нерівноважних носіїв відбувається обсягом напівпровідника і його поверхні і залежить від домішок, і навіть стану поверхні.

При дифузному поширенні нерівноважних носіїв, наприклад електронів, уздовж напівпровідника концентрація їх внаслідок рекомбінації також зменшується з відстанню.

10. ЕЛЕКТРОННО-ДИРОЧНИЙ ПЕРЕХІД ПРИ ВІДСУТНІСТЬ ЗОВНІШНЬОЇ НАПРУГИ

Область на межі двох напівпровідників з різними типами електропровідності називається електронно-дірковим, або р-п-переходом.

Електронно-дірковий перехід має властивість несиметричної провідності, тобто має нелінійний опір. Робота більшості напівпровідникових приладів, що застосовуються в радіоелектроніці, ґрунтується на використанні властивостей одного або кількох р-п-переходів. Розглянемо фізичні процеси у такому переході.

Нехай зовнішня напруга на переході відсутня. Так як носії заряду в кожному напівпровіднику здійснюють безладний тепловий рух, тобто є власні швидкості, відбувається їх дифузія (проникнення) з одного напівпровідника в інший. Носії переміщаються звідти, де їхня концентрація велика, туди, де концентрація мала. Таким чином, з напівпровідника п-типу напівпровідник р-типу дифундують електрони, а в зворотному напрямку з напівпровідника р-типу напівпровідник п-типу дифундують дірки.

Через війну дифузії носіїв з обох боків кордону розділу двох напівпровідників з різним типом електропровідності створюються об'ємні заряди різних символів. В області п виникає позитивний об'ємний заряд. Він утворений головним чином позитивно зарядженими атомами донорної домішки і в невеликій мірі дірками, що прийшли в цю область. Подібно до цього в області р виникає негативний об'ємний заряд, утворений негативно зарядженими атомами акцепторної домішки і електронами, що частково прийшли сюди.

Між об'ємними зарядами, що утворилися, виникає так звана контактна різниця потенціалів і електричне поле.

У р-п-переході виникає потенційний бар'єр, який перешкоджає дифузійному переходу носіїв.

Чим більша концентрація домішок, тим вища концентрація основних носіїв і тим більша кількість їх дифундує через кордон. Щільність об'ємних зарядів зростає та збільшується контактна різниця потенціалів, тобто висота потенційного бар'єру. При цьому товщина р-п переходу зменшується.

Одночасно з дифузним переміщенням основних носіїв через кордон відбувається зворотне переміщення носіїв під дією електричного поля контактної різниці потенціалів. Це поле переміщає дірки з п-області назад у р-область і електрони з р-області назад у п-область. За певної температури р-п-перехід перебуває у стані динамічного рівноваги. Кожну секунду через кордон у протилежних напрямках дифундує певну кількість електронів та дірок, а під дією поля така сама їх кількість дрейфує у зворотному напрямку.

Переміщення носіїв з допомогою дифузії є дифузійним струмом, а рух носіїв під впливом поля є струм провідності. При динамічному рівновазі переходу ці струми рівні та протилежні за напрямом. Тому повний струм через перехід дорівнює нулю, що має бути за відсутності зовнішньої напруги. Кожен із струмів має електронну та дірочну складові. Величини цих складових різні, оскільки вони залежать від концентрації та рухливості носіїв. Висота потенційного бар'єру завжди автоматично встановлюється саме такою, при якій настає рівновага, тобто дифузійний струм та струм провідності взаємно компенсують один одного.

11. ЕЛЕКТРОННО-ДІРОЧНИЙ ПЕРЕХІД ПРИ ДІЇ ПРЯМОГО НАПРУГИ

Нехай джерело зовнішньої напруги підключене позитивним полюсом до напівпровідника р-типу, а негативним полюсом - до напівпровідника п-типу.

Електричне поле, створюване в р-п-переході прямою напругою, діє назустріч полю контактної різниці потенціалів. Результуюче поле стає слабкішим і різницю потенціалів у переході зменшується, тобто висота потенційного бар'єру знижується, зростає дифузійний струм. Адже знижений бар'єр може подолати більшу кількість носіїв. Струм провідності майже не змінюється, тому що він залежить головним чином тільки від числа неосновних носіїв, які потрапляють за рахунок своїх теплових швидкостей в область р-п-переходу з обсягів п-і р-областей.

За відсутності зовнішньої напруги дифузний струм та струм провідності рівні та взаємно компенсують один одного. При прямій напрузі iдіф> iпров і тому повний струм через перехід, тобто прямий струм, вже не дорівнює нулю: iпр = iдіф - iпров> 0.

Якщо бар'єр значно знижений, то ідіф"іпров і можна вважати, що iпр ~ ідіф, тобто прямий струм у переході є дифузійним.

Явище введення носіїв заряду через потенційний бар'єр, що знизився, в область, де ці носії є неосновними, називається інжек-цією носіїв заряду. Область напівпровідникового приладу, з якої інжектуються носії, називається емітерною областю, або емітером. А область, яку інжектуються неосновні для цієї області носії заряду, називається базовою областю, або базою. Таким чином, якщо розглядати інжекцію електронів, то п-область є емітером, а р-область – базою. Для інжекції дірок, навпаки, емітером служить р-область, а п-область є базою.

У напівпровідникових приладах зазвичай концентрація домішок, отже, і основних носіїв у п- і р-областях дуже різна. Тому інжекція з області із вищою концентрацією основних носіїв різко переважає. Відповідно до цієї переважної інжекції і дають назву емітер і база. Наприклад, якщо пп"рр, то інжекція електронів з п-області в р-область значно перевершує інжекцію дірок у зворотному напрямку. В даному випадку емітером вважають п-область, а базою р-область, так як інжекцію дірок можна знехтувати.

При прямій напрузі не тільки знижується потенційний бар'єр, а й зменшується товщина замикаючого шару. Це призводить до зменшення опору замикаючого шару. Його опір у прямому напрямку виходить малим.

Оскільки висота бар'єру за відсутності зовнішньої напруги становить кілька десятих часток вольта, то для значного зниження бар'єру і істотного зменшення опору замикаючого шару достатньо підвести до р-п-переходу пряму напругу всього близько десятих часток вольту. Тому значний прямий струм можна отримати при дуже невеликій прямій напрузі.

Очевидно, що за деякої прямої напруги можна взагалі знищити потенційний бар'єр у р-п-переході. Тоді опір переходу, тобто замикаючого шару, стане близько до нуля і їм можна буде знехтувати. Прямий струм у цьому випадку зросте і залежатиме від опору обсягів пір-областей. Тепер вже цими опорами нехтувати не можна, оскільки вони залишаються у ланцюгу і визначають величину струму.

12. ЕЛЕКТРОННО-ДІРОЧНИЙ ПЕРЕХІД ПРИ ЗВОРОТНІЙ НАПРУЖЕННІ

Нехай джерело зовнішньої напруги підключене позитивним полюсом до області п, а негативним - до області н. Під дією такої зворотної напруги через прохід протікає дуже невеликий зворотний струм, що пояснюється так. Поле, створюване зворотним напругою, складається із полем контактної різниці потенціалів. Результативне поле посилюється. Вже за невеликому підвищенні бар'єра дифузійне переміщення основних носіїв через перехід припиняється, оскільки власні швидкості носіїв недостатні для подолання бар'єру. А струм провідності залишається майже незмінним, оскільки він визначається переважно числом неосновних носіїв, що потрапляють в область р-п-переходу з обсягів п-і р-областей. Виведення неосновних носіїв через р-п-перехід прискорюючим електричним полем, створеним зовнішнім напруженням, називають екстракцією носіїв заряду.

Таким чином, зворотний струм є практично струмом провідності, утворений переміщенням неосновних носіїв. Зворотний струм виходить дуже невеликим, тому що неосновних носіїв мало і, крім того, опір замикаючого шару при зворотному напрузі дуже велике. Дійсно, при підвищенні зворотної напруги поле в області переходу стає сильнішим і під дією цього поля більше основних носіїв "виштовхується" з прикордонних шарів у глиб пі р-областей. Тому зі збільшенням зворотної напруги збільшується не тільки висота потенційного бар'єру, а й товщина замикаючого шару. Цей шар ще більше збіднюється носіями і його опір значно зростає.

Вже при порівняно невеликій зворотній напрузі зворотний струм досягає майже постійної величини, яку можна назвати струмом насичення. Це тим, що кількість неосновних носіїв обмежена. З підвищенням температури концентрація їх зростає та зворотний струм збільшується, а зворотний опір зменшується. Розглянемо трохи докладніше, як встановлюється зворотний струм при включенні зворотної напруги. Спочатку виникає перехідний процес, пов'язаний із рухом основних носіїв. Електрони в п-області рухаються до позитивного полюса джерела, т. е. віддаляються від р-п-пере-хода. А в р-області, віддаляючись від р-п-переходу, рухаються дірки. У негативного електрода вони рекомбінують з електронами, які надходять з дроту, що з'єднує цей електрод з негативним полюсом джерела.

Оскільки з п-області йдуть електрони, вона позитивно заряджається, так як в ній залишаються позитивно заряджені атоми донорної домішки. Подібно до цього р-область заряджається негативно, її дірки заповнюються електронами, що приходять і в ній залишаються негативно заряджені атоми акцепторної домішки.

Розглянутий рух основних носіїв у протилежні сторони продовжується лише малий проміжок часу. Такий короткочасний струм подібний до зарядного струму конденсатора. По обидва боки р-п-переходу виникають два різноіменні об'ємні заряди, і вся система стає аналогічною зарядженому конденсатору з поганим діелектриком, в якому є струм витоку (його роль відіграє зворотний струм). Але струм витоку конденсатора відповідно до закону Ома пропорційний доданій напрузі, а зворотний струм р-п-переходу порівняно мало залежить від напруги.

13. ВОЛЬТ-АМПЕРНА ХАРАКТЕРИСТИКА НАПІВПРОВІДНИКОВОГО ДІОДА

Для будь-якого електричного приладу важлива залежність між струмом через прилад та прикладеною напругою. Знаючи цю залежність, можна визначити струм при заданій напрузі або, навпаки, напруга, що відповідає заданому струму.

Якщо опір приладу є постійним, що не залежить від струму чи напруги, виражається законом Ома: i=u/R, або i=Gu.

Струм прямо пропорційний напрузі. Коефіцієнтом пропорційності є провідність G = 1/R.

Графік залежності між струмом та напругою називається "вольт-амперна характеристика" даного приладу. Для приладу, що підкоряється закону Ома, характеристикою є пряма лінія, яка проходить через координати.

Прилади, що підкоряються закону Ома і мають вольт-амперну характеристику як прямий лінії, що проходить через початок координат, називаються лінійними.

Існують також прилади, у яких опір не є постійним, а залежить від напруги чи струму. Для таких приладів зв'язок між струмом та напругою виражається не законом Ома, а більш складним чином, і вольт-амперна характеристика не є прямою лінією. Ці прилади називаються нелінійними.

Електронно-дірковий перехід по суті є напівпровідниковим діодом.

Зворотний струм зі збільшенням зворотної напруги спочатку швидко зростає. Це викликано тим, що вже при невеликій зворотній напрузі за рахунок підвищення потенційного бар'єру в переході різко знижується дифузійний струм, спрямований назустріч струму провідності. Отже, повний струм різко зростає. Однак при подальшому підвищенні зворотної напруги струм росте незначно, тобто настає явище, що нагадує насичення. Зростання струму відбувається внаслідок нагрівання переходу струмом, за рахунок витоку поверхнею, а також за рахунок лавинного розмноження носіїв заряду, тобто збільшення числа носіїв заряду в результаті ударної іонізації.

Явище це у тому, що з вищому зворотному напрузі електрони набувають велику швидкість і, ударяючись в атоми кристалічної решітки, вибивають їх нові електрони, які у своє чергу розганяються полем і також вибивають з атомів електрони. Такий процес посилюється із підвищенням напруги.

При деякому значенні зворотної напруги виникає пробою pn-переходу, при якому зворотний струм різко зростає і опір замикаючого шару різко зменшується. Слід розрізняти електричний та тепловий пробій pn-переходу. Електричний пробій є оборотним, якщо при цьому пробої в переході не відбувається незворотних змін (руйнувань структури речовини). Тому робота діода у режимі електричного пробою допустима. Можуть існувати два види електричного пробою, які нерідко супроводжують одне одного: лавинний и тунельний.

Лавинний пробій пояснюється розглянутим лавинним розмноженням носіїв за рахунок ударної іонізації. Цей пробій характерний для pn-переходів великої товщини, що виходять при порівняно малій концентрації домішок у напівпровідниках. Пробивна напруга для лавинного пробою зазвичай становить десятки чи сотні вольт.

Тунельний пробій пояснюється дуже цікавим явищем тунельного ефекту. Сутність його полягає в тому, що при досить сильному полі з напруженістю більше 105В/см, що діє в p-з переході малої товщини, деякі електрони проникають через перехід без зміни своєї енергії. Тонкі переходи, у яких можливий тунельний ефект, виходять за високої концентрації домішок. Пробивна напруга, що відповідає тунельному пробою, зазвичай не перевищує одиниць вольт.

14. ЄМНІСТЬ НАПІВПРОВІДНИКОВОГО ДІОДА

Р-п-перехід при зворотній напрузі аналогічний конденсатору зі значним витоком в діелектриці. Замикаючий шар має дуже високий опір і по обидві його сторони розташовані два різноіменні об'ємні заряди, створені іонізованими атомами донорної та акцепторної домішки. Тому pn-перехід має ємність, подібну до ємності конденсатора з двома обкладками. Цю ємність називають бар'єрною ємністю.

Бар'єрна ємність, як і ємність звичайних конденсаторів, зростає при збільшенні площі pn-переходу та діелектричної проникності речовини напівпровідника та зменшенні товщини замикаючого шару. Особливість бар'єрної ємності у тому, що вона є нелінійної ємністю, т. е. змінюється за зміни напруги переході. Якщо зворотна напруга зростає, то товщина замикаючого шару збільшується. Оскільки цей шар грає роль діелектрика, то бар'єрна ємність зменшується.

Бар'єрна ємність шкідливо впливає випрямлення змінного струму, оскільки вона шунтує діод і крізь неї більш високих частотах проходить змінний струм. Але водночас є й корисне застосування бар'єрної ємності. Спеціальні діоди, звані варикапами, використовують як конденсатори змінної ємності для налаштування коливальних контурів, а також в деяких схемах, робота яких заснована на застосуванні нелінійної ємності. На відміну від звичайних конденсаторів змінної ємності, у яких зміна ємності відбувається механічним шляхом, у варикапах ця зміна досягається регулюванням величини зворотної напруги. Спосіб налаштування коливальних контурів за допомогою варикапів називають електронним налаштуванням.

При прямій напрузі діод, крім бар'єрної ємності, має так звану дифузійну ємність, яка також нелінійна і зростає при збільшенні прямої напруги. Дифузійна ємність характеризує накопичення рухомих носіїв заряду в п- та p-областях за наявності прямої напруги на переході. Вона існує тільки при прямій напрузі, коли носії заряду у великій кількості дифундують через знижений потенційний бар'єр і, не встигнувши рекомбінувати, накопичуються в п- та p-областях. Так, наприклад, якщо в деякому діоді p-область є емітером, а п-область - базою, то при подачі прямої напруги з p-області в п-область через перехід спрямовується велика кількість дірок і, отже, в п-області з'являється позитивний заряд. Одночасно під дією джерела прямої напруги із дроту зовнішнього ланцюга в п-область входять електрони і в цій галузі виникає негативний заряд. Дірки та електрони в п-області не можуть миттєво рекомбінувати. Тому кожному значенню прямої напруги відповідає певна величина двох рівних різноіменних зарядів, накопичених у п-області за рахунок дифузії носіїв через перехід.

Дифузійна ємність значно більше бар'єрної, але вона в більшості випадків не робить істотного впливу на роботу діода і використовувати її також не вдається, так як вона завжди зашунтована малим прямим опором самого діода. Практичне значення, зазвичай, має лише бар'єрна ємність.

15. ЗАСТОСУВАННЯ НАПІВПРОВІДНИКОВИХ ДІОДІВ ДЛЯ ВИПРЯМЛЕННЯ ЗМІННОГО СТРУМУ

Випрямлення змінного струму одна із основних процесів у радіоелектроніці. У випрямлювальному пристрої енергія змінного струму перетворюється на енергію постійного струму.

Напівпровідникові діоди добре проводять струм у прямому напрямку і погано проводять у зворотному, і, отже, основним призначенням більшості діодів є випрямлення змінного струму.

У випрямлячах живлення радіоелектронної апаратури генератором змінної ЭРС зазвичай служить силовий трансформатор, включений у електричну мережу. Замість трансформатора іноді застосовується автотрансформатор. У деяких випадках випрямляч живиться від мережі трансформатора. Роль навантажувального резистора, тобто споживача енергії постійного струму, у практичних схемах відіграють ті ланцюги або прилади, які живляться випрямлячем. При випрямленні струмів високої частоти, наприклад, у детекторних каскадах радіоприймачів, генератором змінної ЕРС служить трансформатор високої частоти або резонансний коливальний контур, а спеціально включений резистор навантаження має великий опір.

Застосування конденсатора подвоює зворотну напругу проти його величиною за відсутності конденсатора. Дуже небезпечним є коротке замикання навантаження, яке, зокрема, виходить при проби конденсатора фільтра, що згладжує. Тоді вся напруга джерела буде додана до діода і струм стане неприпустимим. Відбувається тепловою пробою діода.

Перевагою напівпровідникових діодів у порівнянні з вакуумними є не тільки відсутність напруження катода, а й мале падіння напруги на діоді при прямому струмі. Незалежно від величини струму, тобто від потужності, на яку розрахований напівпровідниковий діод, пряма напруга на ньому становить десяті частки вольта або трохи більше 1 Ст. Тому ККД випрямлячів з напівпровідниковими діодами вище, ніж з вакуумними діодами. При випрямленні більш високих напруг ККД підвищується, тому що в цьому випадку втрата напруги близько 1В на діоді не має істотного значення.

Таким чином, напівпровідникові діоди в порівнянні з вакуумними економічніші і виділяють при роботі менше тепла, що створює шкідливе нагрівання інших деталей, розташованих поблизу. Також напівпровідникові діоди мають дуже великий термін служби. Але їх недоліком є ​​порівняно невисока гранична зворотна напруга не більше сотень вольт, а у високовольтних кенотронів вона може бути до десятків кіловольт.

Напівпровідникові діоди можуть застосовуватися в будь-яких схемах випрямлення. Якщо фільтр випрямляча, що згладжує, починається з конденсатора великої ємності, то при включенні змінної напруги на заряд конденсатора відбувається імпульс струму, часто перевищує допустиме значення прямого струму даного діода. Тому зменшення такого струму іноді послідовно з діодом включають обмежувальний резистор з опором порядку одиниць чи десятків Ом.

У напівпровідникових діодах, що працюють у випрямлячому режимі, при зміні полярності напруги можуть спостерігатися значні імпульси зворотного струму. Ці імпульси виникають із двох причин. По-перше, під впливом зворотної напруги виходить імпульс струму, що заряджає бар'єрну ємність р-п-переходу. Чим більша ця ємність, тим більший такий імпульс. По-друге, при зворотній напрузі відбувається розсмоктування неосновних носіїв, що накопичилися в п-і р-областях. Практично внаслідок неоднаковості концентрацій домішок у цих областях головну роль грає більший заряд, що нагромадився у одній із областей.

16. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ТРАНЗИСТОРИ

У числі електроперетворювальних напівпровідникових приладів, тобто приладів, що служать для перетворення електричних величин, важливе місце займають транзистори. Вони являють собою напівпровідникові прилади, придатні для посилення потужності та мають три виводи або більше. Транзистори можуть мати різне число переходів між областями з різною електропровідністю. Найбільш поширені транзистори з двома р-п-перехідами. Ці транзистори називають біполярними, так як їхня робота заснована на використанні носіїв заряду обох знаків. Перші транзистори були точковими, але вони працювали недостатньо стійко. В даний час виготовляються та застосовуються виключно площинні транзистори.

Площинний біполярний транзистор є платівкою германію або іншого напівпровідника, в якій створені три області з різною електропровідністю.

Середня область транзистора називається базою, одна крайня область – емітером, інша – колектором. Таким чином, в транзисторі є два р-п-переходи - емітерний між емітером та базою та колекторний між базою та колектором. Відстань між ними повинна бути дуже малою, не більше одиниць мікрон, тобто область бази повинна бути дуже тонкою. Це найважливіша умова для хорошої роботи транзистора. Крім того, зазвичай концентрація домішок у базі значно менше, ніж у колекторі та емітері. За допомогою металевих електродів від бази, емітера та колектора зроблено висновки. (

Транзистор може працювати у трьох режимах залежно від цього, які напруги з його переходах. Робота в активному режимі виходить у разі, якщо на емітерному переході напруга пряма, а на колекторному - зворотне. Режим відсікання або замикання досягається подачею зворотної напруги на обидва переходи. Якщо на обох переходах пряма напруга, то транзистор працює в режимі насичення. Активний режим є основним. Зокрема, він використовується в більшості підсилювачів та генераторів.

У практичних схемах із транзисторами зазвичай утворюються два ланцюги. Вхідний, або керуючий, ланцюг служить для керування роботою транзистора. У вихідний, або керованої ланцюга виходять посилені коливання. Джерело коливань, що посилюються, включається у вхідний ланцюг, а у вихідний ланцюг включають навантаження.

Залежності між струмами та напругами в транзисторах виражаються їх статичними характеристиками, тобто характеристиками, знятими на постійному струмі та за відсутності навантаження у вихідний ланцюга.

Вхідні та вихідні характеристики транзистора мають тісний зв'язок з вольт-амперною характеристикою напівпровідникового діода. Вхідні характеристики відносяться до емітерного переходу, який працює при прямій напрузі. Тому вони аналогічні характеристиці зворотного струму діода. Вихідні характеристики подібні до характеристики зворотного струму діода, так як вони відображають властивості колекторного переходу, що працює при зворотному напрузі.

Існують ще характеристики зворотного зв'язку, які показують, як змінюється напруга на вході транзистора під впливом зміни вихідної напруги за умови, що постійний вхідний струм.

17. ФІЗИЧНІ ПРОЦЕСИ У ТРАНЗИСТОРІ

Розглянемо, як працює транзистор у статичному режимі без навантаження, коли включені тільки джерела постійної напруги живлення. Полярність їх така, що на емітерному переході напруга пряма, а на колекторному – зворотне. Тому опір емітерного переходу мало і для отримання нормального струму в цьому переході достатньо джерело з напругою порядку десятих вольта. Опір колекторного переходу велике і напруга зазвичай становить одиниці чи десятки вольт.

Принцип роботи транзистора полягає в тому, що пряма напруга емітерного переходу істотно впливає на струм колектора: чим більша напруга, тим більше струми емітера і колектора. При цьому зміна струму колектора лише трохи менше змін струму емітера. Таким чином, вхідна напруга керує струмом колектора. Посилення електричних коливань за допомогою транзистора ґрунтується саме на цьому явищі.

Фізичні процеси у транзисторі відбуваються в такий спосіб. При збільшенні прямої вхідної напруги знижується потенційний бар'єр в емітерному переході і відповідно зростає струм через цей перехід - струм емітера. Електрони цього струму інжектуються з емітера в базу і завдяки явищу дифузії проникають крізь базу область колекторного переходу, збільшуючи струм колектора. Оскільки колекторний перехід працює при зворотному напрузі, то області цього переходу виходять об'ємні заряди. Між ними з'являється електричне поле. Воно сприяє просуванню через колекторний перехід електронів, що прийшли сюди з емітера, тобто втягує електрони в область колекторного переходу.

Якщо товщина бази досить мала і концентрація дірок у ній невелика, більшість електронів, пройшовши через базу, не встигає рекомбінувати з дірками бази і досягає колекторного переходу. Лише невелика частина електронів рекомбінує в основі з дірками. Внаслідок цієї рекомбінації виникає струм бази, що протікає у проводі бази. Внаслідок рекомбінації якась кількість дірок кожну секунду зникає, але така ж кількість нових дірок кожну секунду виникає за рахунок того, що з бази йде у напрямку до полюса джерела така сама кількість електронів. В основі не може відбуватися накопичення якоїсь великої кількості електронів. Струм бази є марним і навіть шкідливим. Бажано, щоб струм бази був якнайменше. Для цього базу роблять дуже тонкою та зменшують у ній концентрацію домішок, яка визначає концентрацію дірок. За виконання цих умов менша кількість електронів буде рекомбінувати в базі з дірками.

Дане одному з електродів назва "емітер" підкреслює, що електрони емітують з цього електрода в основу. Насправді відбувається не емісія, а інжекція електронів з емітера в базу. Застосування цього терміну необхідне для того, щоб відрізняти дане явище від електронної емісії, в результаті якої утворюються електрони у вакуумі або розрідженому газі.

Емітер слід називати область транзистора, призначенням якої є інжекція носіїв заряду в базу. Колектором називають область, призначенням якої є екстракція носіїв заряду із бази. А базою є область, у яку інжектуються емітером неосновні для цієї галузі носії заряду.

Емітер та колектор можна поміняти місцями. Але в транзисторах, як правило, колекторний перехід робиться зі значно більшою площею, ніж емітерний перехід, оскільки потужність, що розсіюється в колекторному переході, набагато більша, ніж в емітерному.

18. ОСНОВНІ СХЕМИ ВКЛЮЧЕННЯ ТРАНЗИСТОРІВ

Застосовують три основні схеми включення транзисторів у підсилювальні чи інші каскади. У цих схемах один із електродів транзистора є загальною точкою входу та виходу каскаду.

Основні схеми включення транзисторів називаються відповідно схемами із загальним емітером, загальною базою та загальним колектором.

Схема із загальним емітером є найпоширенішою, оскільки вона дає найбільше посилення за потужністю.

Коефіцієнт посилення по струму такого каскаду є відношенням амплітуд вихідного або вхідного змінного струмів, тобто змінних складових струмів колектора і бази. Оскільки струм колектора в десятки разів більше струму бази, то коефіцієнт посилення струму виходить близько десятків.

Підсилювальні властивості транзистора при включенні його за схемою із загальним емітером характеризує один з головних його параметрів - статичний коефіцієнт посилення струму для схеми із загальним емітером. Оскільки він має характеризувати лише сам транзистор, його визначають як без навантаження, т. е. за постійної напрузі " колектор - емітер " .

Коефіцієнт посилення каскаду за напругою дорівнює відношенню амплітуд вихідної та вхідної змінної напруги. Вхідною є напруга "база - емітер", а вихідним - змінна напруга на резисторі навантаження або між колектором та емітером.

Схема із загальною базою дає значно менше посилення потужності і має ще менший вхідний опір, ніж схема із загальним емітером, все ж таки її застосовують досить часто, так як за своїми частотними і температурними властивостями вона значно краща за схему із загальним емітером.

Коефіцієнт посилення струмом каскаду із загальною базою завжди трохи менше одиниці. Це випливає з того, що струм колектора завжди лише трохи менше струму емітера.

Найважливішим параметром транзисторів є статичний коефіцієнт посилення струму для схеми із загальною базою. Він визначається режиму без навантаження, т. е. при постійному напрузі " колектор - база " .

Для схеми із загальною базою зсув фаз між вихідною та вхідною напругою відсутня, тобто фаза напруги при посиленні не перевертається.

Схема із загальним колектором. У ній справді колектор є загальною точкою входу та виходу, оскільки джерела живлення завжди шунтовані конденсаторами великої ємності та для змінного струму можуть вважатися коротким замиканням. Особливість цієї схеми в тому, що вхідна напруга повністю передається назад на вхід, тобто є дуже сильний негативний зворотний зв'язок. Вхідна напруга дорівнює сумі змінної напруги "база - емітер" та вихідної напруги.

Коефіцієнт посилення струмом каскаду із загальним колектором майже такий самий, як і у схемі із загальним емітером, тобто має величину порядку десятків. Коефіцієнт посилення по напрузі близький до одиниці, але завжди менший за неї.

Вихідна напруга збігається по фазі з вхідним і майже дорівнює йому за величиною. Тобто вихідна напруга повторює вхідну.

19. ЧАСТОТНІ ВЛАСТИВОСТІ ТРАНЗИСТОРІВ

З підвищенням частоти посилення, яке дається транзисторами, знижується. Є дві основні причини цього явища. По-перше, на вищих частотах шкідливо впливає ємність колекторного переходу. На низьких частотах опір ємності дуже великий, колекторний опір також дуже велике і можна вважати, що весь струм йде в резистор навантаження. Але на деякій високій частоті опір ємності стає порівняно малим і в неї відгалужується помітна частина струму, створюваного генератором, а струм у резисторі відповідно зменшується. Отже, зменшуються вихідна напруга та вихідна потужність.

Місткість емітерного переходу також зменшує свій опір з підвищенням частоти, але вона завжди шунтована малим опором емітерного переходу і тому її шкідливий вплив може проявлятися тільки на дуже високих частотах. Практично на менш високих частотах ємність, яка шунтована дуже великим опором колекторного переходу, настільки впливає, що робота транзистора, який міг би впливати ємність, стає недоцільною. Тому вплив ємності здебільшого можна розглядати.

Другою причиною зниження посилення на вищих частотах є відставання по фазі змінного струму колектора від змінного струму емітера. Воно викликане інерційністю процесу переміщення носіїв через базу від емітерного переходу до колекторного, а також інерційністю процесів накопичення та розсмоктування заряду в базі. Носії, наприклад електрони в транзисторі типу npn, здійснюють у базі дифузійний рух і тому їхня швидкість не дуже велика. Час пробігу носіїв через основу звичайних транзисторах виходить порядку 10-7с, т. е. 0,1 мкс і менше. Звичайно, цей час дуже невеликий, але при частотах порядку одиниць і десятків мегагерц і вище він викликає помітне зрушення фаз між струмами колектора та емітера. За рахунок такого зсуву фаз на високих частотах зростає змінний струм бази, а від цього знижується коефіцієнт посилення струму.

Позначимо коефіцієнт посилення струму для схеми із загальним емітером, а коефіцієнт посилення струму для схеми із загальною базою б.

При підвищенні частоти зменшується значно сильніше, ніж б. Коефіцієнт б знижується від впливу ємності, а на величину впливає ще і зсув фаз між струмами колектора і емітера за рахунок часу пробігу носіїв через базу. Схема із загальним емітером у порівнянні зі схемою із загальною базою має значно гірші частотні властивості.

Прийнято вважати гранично допустимим зменшення величин б і на 30 % порівняно з їх значеннями на низьких частотах.

Ті частоти, у яких виходить таке зниження посилення, називають граничними, чи граничними, частотами посилення для схем із загальною базою та загальним емітером.

Крім граничних частот посилення, транзистор характеризується максимальною частотою генерації, при якій коефіцієнт посилення за потужністю каскаду знижується до 1.

На високих частотах відбувається як зміна величин б і в. Внаслідок впливу ємностей переходів і часу пробігу носіїв через базу, і навіть процесів накопичення і розсмоктування зарядів у основі власні параметри транзистора на високих частотах змінюють свою величину і є суто активними опорами. Змінюються також інші параметри.

Вищі граничні частоти можуть бути отримані при використанні напівпровідників, у яких рухливість носіїв вища.

20. ІМПУЛЬСНИЙ РЕЖИМ ТРАНЗИСТОРІВ

Транзистори, як і напівпровідникові діоди, застосовують у різних імпульсних пристроях. p align="justify"> Робота транзисторів в імпульсному режимі, інакше званому ключовим або режимом перемикання, має ряд особливостей.

Розглянемо імпульсний режим транзистора за допомогою його вихідних характеристик для схеми із загальним емітером. Нехай в колектор колектор включений резистор навантаження. Зазвичай до надходження на вхід транзистора імпульсу вхідного струму або напруги вхідного транзистор знаходиться в замкненому стані. У колі колектора проходить малий струм, і, отже, цей ланцюг наближено можна вважати розімкнутим. Напруга джерела майже все повністю прикладено до транзистора.

Якщо на вхід подано імпульс струму з максимальним значенням, транзистор переходить в область насичення. Виходить імпульс струму колектора із максимальним значенням. Іноді його називають струмом насичення. У цьому режимі транзистор виконує роль замкнутого ключа і майже вся напруга джерела падає на резистор, а на транзисторі є лише дуже невелика залишкова напруга близько десятка часток вольта, зазвичай звана напругою насичення.

Якщо імпульс вхідного струму буде меншим за максимальне значення, то імпульс струму колектора теж зменшиться. Зате збільшення імпульсу струму бази понад максимальне значення не дає зростання імпульсу вихідного струму.

Імпульсний режим характеризується також коефіцієнтом посилення по струму, який на відміну від визначається не через збільшення струмів, а як відношення струмів, відповідних режиму насичення.

Інакше кажучи, є параметром, що характеризує посилення малих сигналів, а коефіцієнт посилення по струму відноситься до посилення великих сигналів, зокрема імпульсів, і за величиною дещо відрізняється від ст.

Параметром імпульсного режиму транзистора служить його опір насичення. Величина опору насичення транзисторів, призначених для імпульсної роботи, зазвичай буває порядку одиниць, іноді десятків Ом.

Аналогічно розглянутій схемі із загальним емітером працює в імпульсному режимі та схема із загальною базою.

Якщо тривалість вхідного імпульсу набагато більше часу перехідних процесів накопичення і розсмоктування зарядів основу транзистора, то імпульс вихідного струму матиме майже таку ж тривалість і форму, як вхідний імпульс. Але при коротких імпульсах може спостерігатися значне спотворення форми імпульсу вихідного струму та збільшення його тривалості.

Поступове збільшення струму пов'язані з процесом накопичення носіїв у основі. Крім того, носії, інжектовані в базу на початку імпульсу вхідного струму, мають різні швидкості свого дифузійного руху і не відразу досягають колектора. Після закінчення вхідного імпульсу за рахунок процесу розсмоктування заряду, що накопичився в базі, струм продовжується деякий час, а потім поступово спадає протягом часу спаду. Отже, уповільнюється процес включення та вимкнення колекторного ланцюга, затягується час, протягом якого знаходиться у замкнутому стані. Інакше висловлюючись, з допомогою інерційності процесів накопичення і розсмоктування заряду основу транзистор неспроможна здійснювати досить швидке включення і виключення, т. е. не забезпечує достатню швидкодію ключового режиму.

21. ОСНОВНІ ТИПИ ТРАНЗИСТОРІВ

Існуючі типи транзисторів класифікуються методом виготовлення, застосовуваним матеріалам, особливостям роботи, призначенню, потужності, діапазону робочих частот та інших ознаками. Точкові транзистори, що історично були першими, тепер не застосовуються. Розглянемо площинні транзистори. Як напівпровідники для транзисторів, що випускаються промисловістю, застосовуються германій і кремній. По граничної потужності, що виділяється в колекторному переході, розрізняють транзистори малої, середньої та великої потужності. Залежно від граничної робочої частоти транзистори бувають низькочастотні (до 3 МГц), середньої частоти (від 3 до 30 МГц) та високочастотні (вище 30 МГц).

У переважної більшості транзисторів основним фізичним процесом є інжекція носіїв, але є група транзисторів, які працюють без інжекції. До них, зокрема, відносяться польові (канальні) транзистори. Транзистори з інжекцією можуть мати різне число pn-переходів.

Винятково широкого поширення набули біполярні транзистори, що мають два pn-переходи. Розрізняють два види таких транзисторів: дрейфові, в яких перенесення неосновних носіїв заряду через базу здійснюється головним чином за допомогою дрейфу, тобто під дією електричного поля, що прискорює, і бездрейфові, в яких такий перенесення здійснюється головним чином за допомогою дифузії.

Бездрейфові транзистори мають у всьому обсязі бази одну й ту саму концентрацію домішки. Внаслідок цього в базі не виникає електричного поля і носії в ній здійснюють дифузійний рух від емітера до колектора. Швидкість такого руху менша за швидкість дрейфу носіїв у прискорювальному полі. Отже, бездрейфові транзистори призначені для нижчих частот, ніж дрейфові.

У дрейфових транзисторах електричне полі у основі прискорює неосновні носії під час руху до колектору. Тому підвищуються гранична частота та коефіцієнт посилення по струму. Найчастіше електричне полі у основі створюється з допомогою різної концентрації домішок обсягом бази, що можна досягти при дифузійному методі виготовлення pn-переходів. Транзистори, виготовлені таким методом, називають дифузійними.

Бездрейфові транзистори здебільшого мають сплавні переходи, отримані за такою технологією, як у діодів. Ці транзистори прийнято називати сплавними. В основну пластинку напівпровідника з двох сторін вплавляються домішки, що утворюють емітерну та колекторну ділянку. Оскільки на колекторному переході розсіюється велика потужність, він зазвичай має значно більші розміри, ніж емітерний перехід. Однак можуть бути виготовлені і симетричні сплавні транзистори, у яких обидва переходи однакові.

Дрейфові транзистори робляться на граничні частоти в десятки разів вищі, ніж у сплавних транзистори. Під впливом прискорюючого поля носії набагато швидше рухаються у базі. При виготовленні дрейфових транзисторів застосовується метод дифузії, при якому база може бути дуже тонкою. Колекторний перехід виходить плавним і його ємність набагато менше, ніж в сплавних переходів. За рахунок малої товщини бази коефіцієнти посилення б і значно вище, ніж у сплавних транзисторів. Метод дифузії дозволяє виготовляти транзистори точніше, з меншим розкидом параметрів та характеристик.

22. ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ЕЛЕКТРОВАКУУМНІ ПРИЛАДИ ТА ПРИНЦИПИ ЇХ КЛАСИФІКАЦІЇ

Електровакуумні прилади набули широкого поширення. За допомогою цих приладів можна перетворити електричну енергію одного виду на електричну енергію іншого виду, що відрізняється за формою, величиною і частотою струму або напруги, а також енергію випромінювання в електричну і назад.

За допомогою електровакуумних приладів можна здійснити регулювання різних електричних, світлових та інших величин плавно або по сходах, з великою або малою швидкістю та з малими витратами енергії на сам процес регулювання, тобто без значного зниження ККД, характерного для багатьох інших способів регулювання та управління.

Ці переваги електровакуумних приладів зумовили їх використання для випрямлення, посилення, генерування та перетворення частоти різних електричних струмів, осцилографії електричних та неелектричних явищ, автоматичного керування та регулювання, передачі та прийому телевізійних зображень, різних вимірювань та інших процесів.

Електровакуумними приладами називають прилади, в яких робочий простір, ізольований газонепроникною оболонкою, має високий ступінь розрідження або заповнений спеціальним середовищем (парами або газами) і дія яких заснована на використанні електричних явищ у вакуумі або газі.

Електровакуумні прилади поділяються на електронні прилади, в яких проходить чисто електронний струм у вакуумі, та іонні прилади (газорозрядні), для яких характерний електричний розряд у газі чи парах.

В електронних приладах іонізація практично відсутня, а якщо й спостерігається невеликою мірою, то не надає помітного впливу на роботу цих приладів. Розрідження газу цих приладах оцінюється тиском залишкових газів менше 10-6мм рт. ст. характерним для високого вакууму.

У іонних приладах тиск залишкових газів буває 10-3мм рт. ст. і вище. При такому тиску значна частина електронів, що рухаються, стикається з молекулами газу, призводить до іонізації, і, отже, в цих приладах процеси є електронно-іонними.

Дія провідникових (безрозрядних) електровакуумних приладів заснована на використанні явищ, пов'язаних з електричним струмом у твердих або рідких провідниках, що знаходяться в розрідженому газі. У цих приладах електричного розряду в газі чи вакуумі немає.

Електровакуумні прилади поділяються за різними ознаками. Особливу групу складають електронні лампи, тобто електронні прилади, призначені для різних перетворень електричних величин. Ці лампи за своїм призначенням бувають генераторними, підсилювальними, випрямлювальними, частотоперетворювальними, детекторними, вимірювальними тощо. буд. Вони утворюють електричні імпульси, т. е. короткочасні струми за умови, що тривалість імпульсів набагато менше, ніж проміжки між імпульсами.

Електровакуумні прилади класифікуються ще й за багатьма іншими ознаками: за типом катода (загострений або холодний), за влаштуванням балона (скляний, металевий, керамічний або комбінований), за родом охолодження (природне, тобто променисте, примусове повітряне, водяне).

23. ПРИСТРІЙ І ПРИНЦИП РОБОТИ ДІОДА

Головним призначенням двоелектродної лампи, яка називається діодом, є випрямлення змінного струму.

Діод має два металеві електроди у скляному, металевому або керамічному балоні з вакуумом. Одним електродом є розжарений катод, який служить для емісії електронів. Інший електрод - анод - служить для тяжіння електронів, що випускаються катодом, та створення потоку вільних електронів. Катод та анод вакуумного діода аналогічні емітеру та базі напівпровідникового діода. Анод притягує електрони у разі, якщо має позитивний потенціал щодо катода. У просторі між анодом і катодом утворюється електричне поле, яке при позитивному потенціалі анода є прискорюючим для електронів, що випускаються катодом. Електрони, що вилітають із катода, під дією поля рухаються до анода.

У найпростішому випадку катод роблять у вигляді металевої тяганини, яка розжарюється струмом. З її поверхні вилітають електрони. Такі катоди називають катодами прямого та безпосереднього розжарення.

Велике поширення набули також катоди непрямого напруження, інакше звані підігрівними. Катод такого типу має металевий циліндр, у якого поверхня покрита активним шаром, що емітує електрони. Усередині циліндра знаходиться підігрівач у вигляді дроту, що розжарюється струмом.

Між анодом і катодом електрони утворюють розподілений у просторі негативний електричний заряд, званий об'ємним або просторовим і перешкоджає руху електронів до анода. При недостатньо великому позитивному потенціалі анода не всі електрони можуть подолати дію об'ємного заряду, що гальмує, і частина їх повертається на катод.

Що потенціал анода, то більше вписувалося електронів долає об'ємний заряд і йде до анода, т. е. тим більше катодний струм.

У діоді електрони, що пішли з катода, потрапляють на анод. Потік електронів, що летять усередині лампи від катода до анода і потрапляють на анод, називають анодним струмом. Анодний струм є основним струмом електричної лампи. Електрони анодного струму рухаються всередині лампи від катода до анода, а поза лампою - від анода до плюсу анодного джерела, всередині останнього - від його плюса до мінуса і потім - від джерела мінуса до катода лампи. При зміні позитивного потенціалу анода змінюється катодний струм і рівний йому анодний струм. У цьому полягає електростатичний принцип керування анодним струмом. Якщо потенціал анода негативний щодо катода, поле між анодом і катодом є гальмуючим для електронів, що вилітають з катода. Ці електрони під впливом поля гальмуються і повертаються на катод. У цьому випадку катодний та анодний струми дорівнюють нулю. Таким чином, основною властивістю діода є здатність проводити струм в одному напрямку. Діод має односторонню провідність.

Малопотужні детекторні діоди випускаються з катодами непрямого напруження. Вони мають електроди невеликого розміру, розраховані на малі анодні струми, малу граничну потужність, що виділяється на аноді, та невисоку зворотну напругу. Детекторні діоди для високих і надвисоких частот роблять із можливо меншою ємністю. Більш потужні діоди (кенотрони) для випрямлення змінного струму електромережі випускаються з катодами як прямого, так і непрямого розжарення, і розраховані на високу зворотну напругу. Широке застосування мають подвійні діоди, тобто два діоди в одному балоні.

24. ТРІОД І ЙОГО ЛАНЦЮГУ

На відміну від діодів тріоди мають третій електрод. керуючу сітку, звану зазвичай простою сіткою і розташовану між анодом та катодом. Вона служить для електростатичного керування анодним струмом. Якщо змінювати потенціал сітки щодо катода, то змінюватиметься електричне поле і внаслідок цього змінюватиметься катодний струм лампи. У цьому полягає керуюча дія сітки.

Катод та анод тріодів такі ж, як у діодів. Сітка в більшості ламп виконується з дроту, що оточує катод. Катод, сітка та анод вакуумного діода аналогічні відповідно емітеру, базі та колектору біполярного транзистора або витоку, затвору та стоку польового транзистора.

Все, що стосується сітки, позначається буквою "с".

Тріод має ланцюги розжарення і анода, подібні до таких же ланцюгів діода, і ланцюг сітки. У практичних схемах ланцюг сітки включають резистори та інші деталі.

Різниця потенціалів між сіткою та катодом є сітковою напругою (напругою сітки) і позначається Uc. Для лампи з катодом прямого розжарення сіткове напруження визначається щодо кінця катода, з'єднаного з негативним полюсом анодного джерела. При позитивному напрузі сітки частина електронів, що випускаються катодом, потрапляє на сітку, і в її ланцюзі утворюється струм (сітки), що позначається iс. Частина тріода, що складається з катода, сітки та простору між ними, за своїми властивостями подібна до діода, а ланцюг сітки подібна до анодного ланцюга діода. Роль анода у цьому діоді виконує сітка.

Основним та корисним струмом у тріоді є анодний струм. Він аналогічний колекторному струму біполярного транзистора чи струму стоку польового транзистора. Сітковий струм, аналогічний струму бази транзистора, зазвичай, марний і навіть шкідливий.

Зазвичай він буває значно меншим за анодний струм. У багатьох випадках прагнуть того, щоб сіткового струму взагалі не було. Для цього напруга сітки має бути негативною. Тоді сітка відштовхує електрони і сітковий струм практично відсутня. Трапляються випадки, коли тріоди працюють при порівняно великих позитивних напругах сітки, і тоді сітковий струм має значну величину.

Можливість роботи вакуумного тріода без шкідливого сіткового впливу істотно відрізняє його від біполярного транзистора, який може працювати без струму бази.

У проводі катода протікає разом анодний та сітковий струми. Сумарний струм тут є катодним струмом або струмом катода, і позначається iк; iк = iа + iс.

Катодний струм аналогічний емітерному струму біполярного транзистора або струму витоку польового транзистора визначається сумарним потоком електронів, що рухаються від катода в напрямку до сітки. У діоді катодний струм завжди дорівнює анодному струму, а тріоді ці струми рівні лише за Uc <0, оскільки у разі iс = 0.

У тріоді з катодом прямого розжарення в ланцюгу розжарення катодний струм розгалужується на дві частини, які складаються алгебраїчно зі струмом розжарення. Щоб виміряти в цьому випадку катодний струм, треба увімкнути міліамперметр.

Подібно до діодів, тріоди мають односторонню провідність і можуть бути використані для випрямлення змінного струму. Але для цього їх застосовувати немає сенсу, тому що діоди простіше за конструкцією і дешевше. Можливість керування анодним струмом за допомогою сітки визначає основне призначення тріодів – посилення електричних коливань. Тріоди застосовуються також для генерування електричних коливань різної частоти. Робота тріодів у генераторах та у багатьох інших спеціальних схемах у більшості випадків зводиться до посилення коливань.

25. ПРОСТІ І СКЛАДНІ КАТОДИ

Прості катоди, тобто катоди з чистих металів, робляться майже виключно з вольфраму (рідко з танталу) і мають пряме напруження.

Головною перевагою вольфрамового катода є стійкість його емісії. При постійному розжаренні емісія поступово знижується протягом терміну служби катода. А за короткі часові відтинки зміни емісії практично відсутні. Після тимчасового не дуже тривалого перепалу емісія не зменшується. Сильний перепал небезпечний, оскільки катод може розплавитись.

Тривалий перепал значно скорочує довговічність вольфрамового катода. Збільшення напруги напруження лише з 5 % зменшує термін служби вдвічі, зниження напруження на 2 %, навпаки, дає збільшення терміну служби вдвічі.

Вольфрамовий катод не руйнується і знижує емісії від ударів іонів. Стійкість вольфрамового катода до іонного бомбардування робить його особливо придатним для потужних ламп, що працюють з високими анодними напругами. Катоди з вольфраму застосовуються також у спеціальних електрометричних лампах, у яких важлива сталість емісії. У ламп з вольфрамовим катодом частинки вольфраму, що випаровуються, утворюють на поверхні балона шар, що поглинає гази і покращує вакуум. Основний недолік вольфрамового катода – низька ефективність. З усіх катодів він менш економічний. Емісія у нього порівняно мала. Зате внаслідок високої температури інтенсивно випромінюються теплові та світлові промені, на що марно витрачається майже вся потужність розжарення. Саме це послужило поштовхом до створення економічніших складних катодів.

Складні катоди можуть мати різне устрост-, в. У багатьох типів катодів на поверхню чистого металу наноситься шар, що активує, який зменшує роботу виходу і дозволяє отримувати велику емісію при порівняно невисоких температурах.

Головною перевагою складних катодів є їхня економічність. Робоча температура в деяких типів катодів становить 1000 К. Довговічність сягає тисячі і навіть десятків тисяч годин. До кінця цього терміну відбувається зниження емісії від зменшення кількості активуючих домішок, наприклад, за рахунок їх випаровування. Деякі типи складних катодів дають надвисоку емісію в імпульсному режимі, тобто протягом коротких проміжків часу, розділених один від одного значно тривалішими паузами.

Основним недоліком складних катодів є низька стійкість емісії. Ці катоди знижують емісійну здатність при тимчасовому перекалі, що пояснюється випаром речовин, що активують, при підвищеній температурі. Для зменшення можливості іонізації в лампах зі складними катодами важливо підтримувати високий вакуум. Це досягається застосуванням спеціального газопоглинача.

Складні катоди можуть бути плівкові та напівпровідникові.

Застосовуються катоди нових типів: барієво-вольф-рамові, торієво-оксидні та ряд інших. Барієво-вольфрамові катоди роблять непрямого напруження. На поверхні пористого вольфраму створюється пориста плівка, що активує, барію і стронцію. Плівка, випаровуючись, поповнюється за рахунок дифузії крізь вольфрам атомів барію та стронцію з таблетки оксидів цих металів. Їх перевагою є стійкість при електронному та іонному бомбардуванні.

У про синтерованих катодах оксид наноситься на нікелеву губку чи сітку. Опір подібного катода значно знижується, і він набагато менше схильний до викривлення та виникнення вогнищ перегріву.

26. КАТОДИ ПРЯМОГО ТА НЕпрямого напруження

Катоди прямого розжарення є дріт круглого або прямокутного перерізу. Товщина її буває від 0,01 мм у найпотужніших ламп до 1-2 мм у потужних ламп. Короткі катоди робляться прямими. Довші вигинаються у вигляді ламаної лінії. В іонних приладах часто катод має форму соленоїда. Потужні катоди цих приладів виготовляють зі стрічки, вигнутою "гармошкою" або гвинтовою лінією.

Перевагами катодів прямого напруження є простота пристрою і можливість їх виготовлення для малопотужних ламп у вигляді тонких ниток на малий струм розжарення. Катоди прямого розжарення застосовуються в потужних генераторних лампах для малопотужних переносних і пересувних радіостанцій, що живляться від сухих батарей або акумуляторів, оскільки в цих випадках важлива економія джерел струму.

Катод у вигляді тонкої нитки після включення розжарювання швидко розігрівається, що дуже зручно. Але великим недоліком цих катодів є паразитні пульсації анодного струму при живленні напруження змінним струмом. Вони створюють великі перешкоди, спотворюючи та заглушаючи корисні сигнали. При слуховому прийомі ці пульсації проявляють себе характерним гудінням - тлом змінного струму.

Недоліком тонких катодів прямого розжарення є мікрофонний ефект. Він полягає в тому, що анодний струм пульсує при механічних струсах лампи. Зовнішні поштовхи створюють у катода вібрації. Відстань між катодом та іншими електродами змінюється. Це призводить до пульсації анодного струму.

Широке застосування мають катоди непрямого напруження. Зазвичай катод непрямого розжарювання має нікелеву трубку з оксидним шаром, всередину якої вставлений вольфрамовий підігрівач, згорнутий петлею. Для ізоляції від катода підігрівач покривається масою з прожареного окису алюмінію, що називається алундом. При значній довжині підігрівач згинають кілька разів або скручують по гвинтовій лінії. У деяких лампах катод зроблений у вигляді невисокого циліндра з верхньою основою, покритою оксидом. Усередині циліндра знаходиться підігрівач з алундовою ізоляцією, що має форму петлі, згорнутої спіраллю. Катоди непрямого напруження, зазвичай, оксидні.

Головною перевагою катодів непрямого напруження є майже повне усунення шкідливих пульсацій під час живлення змінним струмом. Коливання температури практично відсутня, оскільки маса, а отже, і теплоємність у цих катодів значно більша, ніж у катодів прямого напруження. Катод непрямого розжарення має велику теплову інерцію. Від моменту включення струму розжарення до повного розігріву катода проходять десятки секунд. Стільки часу потрібно для охолодження катода.

Катод непрямого напруження є еквіпотенційним. Уздовж нього немає падіння напруги від струму розжарення. Анодна напруга для всіх точок його поверхні те саме. Воно не пульсує при коливаннях напруження напруження.

Перевагою катодів непрямого напруження є незначний мікрофонний ефект. Маса катода порівняно велика, і його важко привести до стану коливань.

Катоди непрямого напруження мають деякі недоліки. Вони складніші по конструкції і мають дещо меншу ефективність. Катоди непрямого розжарення важко сконструювати на дуже малі струми і тому менш придатні для малопотужних економічних ламп, розрахованих харчування від батарей.

27. ЗАКОН СТУПЕНЯ ТРИХ ДРУГИХ ДЛЯ ДІОДА

Для діода, що працює в режимі об'ємного заряду, анодний струм і анодна напруга пов'язані нелінійною залежністю, яка на підставі теоретичних розрахунків приблизно виражається так званим законом ступеня трьох других: /а = диа3/2, де коефіцієнт залежить від геометричних розмірів і форми електродів, а також від вибраних одиниць.

Анодний струм пропорційний анодному напрузі ступеня 3/2, а чи не першою мірою, як і законі Ома. Якщо збільшити, наприклад, анодна напруга вдвічі, то анодний струм зростає приблизно в 2,8 рази, тобто стане на 40% більше, ніж має бути згідно із законом Ома. Таким чином, анодний струм зростає швидше, ніж анодна напруга.

Графічно закон ступеня трьох других зображується кривою лінією, що називається напівкубічну параболу.

Закон ступеня трьох других справедливий для позитивної анодної напруги, меншої напруги насичення.

Якщо розшифрувати коефіцієнт д в законі ступеня трьох других, цей закон для діода з плоскими електродами слід писати так:

iа = 2,33 · 10-6(Qа /d2а. к)Uа3/2,

де Qа – площа анода, dа. до - відстань "анод - катод".

Для діодів з електродами іншої форми постійний коефіцієнт вводяться деякі поправки, а Qа являє собою діючу поверхню анода, тобто ту поверхню, яка приймає на себе основний електронний потік. У цій формулі струм виходить у амперах, якщо напруга взята у вольтах, а Qа і d2ак.виражені у будь-яких однакових одиницях, наприклад, у квадратних міліметрах. Струм обернено пропорційний квадрату відстані "анод - катод". Зменшення цієї відстані різко збільшує цей анодний струм.

Закон ступеня трьох других, незважаючи на свою неточність, корисний, тому що він у найпростішій формі враховує нелінійні властивості електронної лампи.

Розглянемо висновок формули закону ступеня трьох других для діода із плоскими електродами. Вважатимемо, що об'ємний заряд q, в який входять усі електрони, що летять до анода, розташований так близько до катода, що відстань між цим зарядом і "анодом" можна прийняти рівним відстані анод - катод dа.к. Якщо час прольоту електронів вздовж відстані dа. дорівнює t, величина анодного струму дорівнює: ia, = q/ t.

Заряд q можна виразити через анодну напругу та ємність анод - катод Сак: q= Са.к. Uа.

У цьому для ємності Са.к. маємо формулу: Са.к. = ?0Qа/dа.к., де ?0 = 8,86 · 10-16Ф/м - діелектрична проникність вакууму, а Qа - площа анода. Час прольоту t визначимо через середню швидкість: t = dа. к. /? Ср, але? Ср = v/2, де v - кінцева швидкість.

Насправді внаслідок неоднорідності поля середня швидкість дещо менша, ніж визначена за вказаними вище формулами.

Внаслідок наближеності виведення постійний коефіцієнт у цьому виразі дещо завищений. Суворіший висновок дає більш точне значення постійного коефіцієнта, але цей висновок також заснований на припущеннях, що не відповідають дійсності. Зокрема, початкова швидкість електронів належить рівної нулю, а розподіл потенціалу приймається таким, як у режимі насичення, хоча закон ступеня трьох других стосується лише режиму об'ємного заряду.

28. ФІЗИЧНІ ПРОЦЕСИ У ТРІОДІ

Катод та анод працюють у тріоді так само, як у діоді. У режимі об'ємного заряду біля катода утворюється потенційний бар'єр. Як і діоді, величина катодного струму залежить від висоти цього бар'єру.

Керуюча дія сітки в тріоді подібно до дії анода в діоді. Якщо змінити напругу сітки, змінюється напруженість поля, створюваного сіткою. Під впливом цього змінюється висота потенційного бар'єру біля катода. Отже, змінюватиметься кількість електронів, які долають цей бар'єр, тобто величина бар'єрного струму.

Коли напруга сітки змінюється на позитивну строну, то потенційний бар'єр знижується, його долає більше емітованих електронів, менше їх повертається на катод і катодний струм зростає. А при зміні сіткової напруги негативний бік потенційний бар'єр у катода підвищується. Тоді його зможе подолати меншу кількість електронів. Збільшиться кількість електронів, що повертаються на катод, і катодний струм зменшиться.

Сітка діє на катодний струм значно сильніше, ніж анод, тому що вона розташована до катода ближче, ніж анод і є екраном для електричного поля анода.

Співвідношення впливів сітки та анода на анодний струм характеризує найважливіший параметр тріода – коефіцієнт посилення. Коефіцієнт посилення - це абстрактне число, що показує, скільки разів напруга сітки діє на анодний струм сильніше, ніж напруга анода.

Порівняно невелика негативна напруга сітки може значно зменшити анодний струм і навіть зовсім його припинити.

Збільшення сіткової напруги сітки супроводжується зростанням анодного та сіткового струмів.

При великих позитивних анодних напругах сітки струм сітки настільки зростає, що анодний струм може навіть зменшитися.

Значний вплив на роботу тріода має так званий острівцевий ефект. Через неоднорідну структуру сітки поле, створюване сіткою, також неоднорідне, і воно впливає на потенційний бар'єр біля катода в різних його ділянках неоднаково. Сітка своїм полем сильніше діє на потенційний бар'єр біля тих ділянок катода, які ближчі до провідників сітки.

Характеристики тріода під час роботи його на постійному струмі і без навантаження називаються статичними.

Розрізняють теоретичні та дійсні характеристики тріодів. Теоретичні характеристики можна побудувати виходячи з закону трьох других і є точними. Справжні характеристики знімаються експериментально. Вони точніші. Причини відхилення дійсних характеристик від теоретичних у тріод ті ж, що й у діода. Значний вплив мають неоднаковість температури в різних точках катода, нееквіпотенціальність катода, додатковий підігрів катода анодним струмом. На ділянки характеристик для малих анодних струмів сильний вплив мають початкова швидкість електронів, контактна різниця потенціалів та термо-ЕРС.

У тріоді ці чинники впливають сильніше, ніж у діоді, оскільки їх дія поширюється як на анодну ланцюг, а й ланцюг сітки.

29. ДІЮЧА НАПРУГА І ЗАКОН СТУПЕННЯ ТРИХ ДРУГИХ ДЛЯ ТРІОДУ

Діюча напруга тріода дозволяє розрахувати катодний струм тріод шляхом заміни тріода еквівалентним діодом. Ця заміна полягає у наступному. Якщо в тріоді на місце сітки помістити анод, що має таку ж поверхню, яку займає сітка, то в цьому діоді при деякому його анодному напрузі анодний струм виходить рівним катодного струму в тріоді. Напруга, прикладена до анода еквівалентного діода і створює в ньому анодний струм, рівний катодного струму реального діода, називається напругою, що діє, ід. Його дія еквівалентна спільної дії сіткової та анодної напруги. Тобто напруга, що діє, повинна створювати біля катода еквівалентного діода таку ж напруженість поля, яка створюється біля катода тріода.

Величина діючої напруги визначається приблизно формулою Uд ~ Uс + Dіа = Uс + Uа /?.

Напруга сітки діє своїм полем без ослаблення, а поле, створюване анодною напругою в просторі "сітка - катод", ослаблене за рахунок дії сітки, що екранує. Ослаблення дії анода характеризується проникністю D або коефіцієнтом посилення? Тому величину Uа не можна складати з Uс, а потрібно спочатку помножити її на D або поділити на ? (? і D є оберненими величинами тільки при iс = 0).

Наближена формула для Uд є наближеною, тому що не враховує, що поле біля катода може бути неоднорідним. Ця формула застосовується у тих випадках, коли сітка не надто рідкісна (при D<0,1 або ?>10).

Чинний заряд qд повинен дорівнювати сумі заряду q1, створеного на катоді дією поля сітки, і заряду q2, створеного полем, що проникає крізь сітку від анода. Виразимо ці заряди через напруги та ємності: q1 = Сск, Uс і q2 = Сак Uа. Заряд q2 на катод дорівнює тій невеликій частині всього заряду анода, від якої електричні силові лінії проходять крізь сітку до катода. Замінюючи qД сумою q1 + q2, отримуємо: uд = (q1 + q2)/Сс.к. = (Сс.к. uс + Са.к. uа) / Сс.к. = uс + uаСа.к. / Зіск. Позначимо D = Са.к. / Зіск. Тоді остаточно отримаємо: uд = uс + DUa,

В еквівалентному діоді анодний струм дорівнює катодному струму тріода, а роль анодної напруги виконує напругу, що діє. Тому закон ступеня трьох других для тріода можна написати так: = дuд3/2= g(іс + Duа)3/2.

Враховуючи, що в еквівалентному діоді анод розташований на місці сітки реального тріода, коефіцієнт g для тріода з плоскими електродами дорівнює: g = 2,33 · 10-6(Qа/d2с.к.).

Поверхня анода еквівалентного діода у разі дорівнює поверхні дійсного анода.

Закон ступеня трьох других для тріодів є дуже наближеним. Істотне значення має неточність визначення напруги, що діє. Тим не менш, закон ступеня трьох других корисний при розгляді теорії роботи тріода і при конструюванні ламп.

30. СТІК СІТКИ У ТРІОДІ

За рахунок початкових швидкостей електронів, що вилітають з катода, контактної різниці потенціалів і тер-мо-ЕРС, що діють у сітковому ланцюзі, характеристика струму сітки починається в області невеликих негативних сіткових напруг. Хоча струм сітки в цій області дуже невеликий і у приймально-підсилювальних ламп становить малі частки міліампера, у багатьох випадках з ним доводиться рахуватися. Рідше зустрічаються характеристики струму сітки, що починаються в області позитивних сіткових напруг. Вони виходять тоді, коли контактна різниця потенціалів створює на сітці негативну напругу і діє сильніше за початкову швидкість електронів.

У лампах, що працюють при значних позитивних напругах на сітці, наприклад генераторних, при зростанні позитивної сіткової напруги струм сітки спочатку збільшується і досягає максимуму, який іноді розташовується в області негативних значень струму. При подальшому збільшенні напруги сітки струм знову зростає.

Таке явище пояснюється вторинною емісією сітки. Під ударами первинних електронів при позитивному напрузі сітки з неї вибиваються вторинні електрони. Зі збільшенням сіткової напруги коефіцієнт вторинної емісії зростає і збільшується потік первинних електронів, що бомбардують сітку. Внаслідок цього зростає кількість вторинних електронів. Їхній потік спрямований на анод, що має більш високий позитивний потенціал.

У ланцюзі сітки з'являється струм вторинних електронів, що має напрямок, зворотний до струму первинних електронів. Результуючий струм сітки зменшується і може навіть змінити напрямок на зворотний, якщо коефіцієнт вторинної емісії більше 1. При цьому струм анода зростає, так як до первинних електронів, що летять від катода, додається струм вторинних електронів.

Явище виникнення струму вторинних електронів називається динатронним ефектом.

Коли сіткове напруження перевищить анодне, то поле між анодом і сіткою стане гальмуючим для вторинних електронів сітки і вони повертатимуться на сітку. Зате вторинні електрони, що вибиваються з анода, прискорюватимуться цим полем і летітимуть до сітки, тобто виникає динатронний ефект з боку анода. У цьому струм сітки додатково зростає рахунок струму вторинних електронів, а струм анода дещо зменшиться.

При негативному сітковому напрузі існує дуже невеликий сітковий струм. Він називається зворотним сітковим струмом, тому що його напрямок протилежно напрямку сіткового струму при позитивному напрузі сітки (електрони зворотного струму у зовнішніх проводах сіткового ланцюга рухаються у напрямку до сітки). Зворотний сітковий струм має кілька складових: іонний струм, термоток і струм витоку.

Зі зменшенням негативної напруги сітки збільшується анодний струм і зростає іонізація. До сітки підходить більше іонів, іонний струм зростає. При позитивній напрузі сітки електронний струм різко зростає і настільки переважає над іонним, що останній практично не відіграє ролі. Якщо сітка має високу температуру, може виникнути струм термоелектронної емісії (термоток) сітки. Для зменшення цього струму сітки роблять із металу з великою роботою виходу та малим коефіцієнтом вторинної емісії.

31. РОБОЧІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРІОДУ

Анодно-сітковою характеристикою називається графік залежності анодного струму від сіткової напруги при постійних значеннях напруги анодного джерела та опору навантаження. На відміну від статичних показників для робочої властивості не ставиться умова сталості анодного напруги, оскільки він у робочому режимі змінюється. Форма робочої характеристики та її положення залежать від величини та характеру анодного навантажувального опору.

Для побудови анодно-сіточної робочої характеристики повинні бути задані сімейство статичних анодно-сіточних характеристик, напруга анодного джерела і опір навантаження.

Якщо напруга анода дорівнює напрузі анодного джерела, а струм дорівнює нулю, то лампа замкнена, тому що тільки в цьому випадку немає падіння напруги на опорі навантаження.

Робоча анодно-сіточна характеристика має меншу крутість, ніж статичні характеристики. Чим більший анодний струм, тим менше стає анодна напруга. Тому робоча характеристика завжди проходить, перетинаючи статичні характеристики. Нахил робочої характеристики залежить від опору навантаження. Зі збільшенням опору навантаження анодний струм зменшується і робоча характеристика проходить більш порожнистого. Коли опір навантаження постійно, то робоча характеристика зсувається праворуч, якщо напруга анодного джерела зменшується, або вліво, якщо анодна напруга збільшується.

За допомогою робочої характеристики можна розрахувати зміни анодного струму при зміні напруги. Можна визначити і анодна напруга, враховуючи, що кожна точка робочої характеристики відповідає деякому анодному напрузі.

Для побудови анодної робочої характеристики повинні бути задані сімейство статичних анодних характеристик, а також анодна напруга та опір навантаження. Робоча характеристика є лінією навантаження.

За допомогою лінії навантаження можна визначити анодний струм і анодну напругу за будь-якої напруги сітки. Лінія навантаження дозволяє вирішувати інші завдання. Можна, наприклад, знайти, при якому сітковому напрузі виходить анодний струм потрібної величини.

Робоча анодна характеристика в порівнянні з анодно-сіточною має деякі переваги. Оскільки вона є прямою, то будується по двох точках і виходить точніше. З її допомогою зручніше визначається анодна напруга, оскільки вона відкладена по осі абсцис. Для практичних розрахунків частіше використовують робочу анодну характеристику, хоча у деяких випадках зручнішою виявляється анодно-сіточна характеристика.

Нахил аналізованої характеристики залежить від опору навантаження. Чим більший опір навантаження, тим більше порожнього йде лінія навантаження. Якщо опір навантаження дорівнює нулю, то лінія навантаження перетворюється на вертикальну пряму.

При напрузі навантаження рівної нескінченності лінія навантаження збігається з віссю абсцис. В цьому випадку при будь-яких напругах анодний струм дорівнює нулю.

У деяких випадках необхідно побудувати анодно-сіточну робочу характеристику, якщо є тільки анодні статичні характеристики.

32. ПРИСТРІЙ І РОБОТА ЗОТРОДУ

Чотириелектродні лампи, або тетроди, мають другу сітку, звану екрануючої, або екранної, і розташовану між керуючою сіткою та анодом. Призначенням екрануючої сітки є підвищення коефіцієнта посилення та внутрішнього опору та зменшення прохідної ємності.

Якщо сітка, що екранує, з'єднана з катодом, то вона екранує катод і керуючу сітку від дії анода. Екрануюча сітка перехоплює більшу частину електричного поля анода. Можна сказати, що крізь сітку, що екранує, проникає лише невелика частка електричних силових ліній, що виходять з анода. Ослаблення поля анода сітки, що екранує, враховується величиною проникності цієї сітки.

Електричне поле, що проникає через сітку, що екранує, далі перехоплюється керуючою сіткою, через яку також проникає невелика частина силових ліній. Ослаблення поля анода сіткою, що управляє, залежить від її проникності. Крізь обидві сітки від анода до потенційного бар'єру біля катода проникає мізерна частина загальної кількості силових ліній, що характеризується добутком проникності сіток. Ця результуюча проникність обох сіток називається проникністю тетроду.

Проникність тетрода характеризує співвідношення впливів анода і сітки, що управляє, на катодний струм. Вона показує, яку частку впливу напруги сітки, що управляє, на катодний струм становить вплив напруги анода.

За допомогою двох не дуже густих сіток досягаються високий коефіцієнт підсилення та високий внутрішній опір. При цьому, якщо на сітку, що екранує, подано значну позитивну напругу, то анодно-сіточні характеристики тетроду виходять "лівими", тобто тетрод може нормально працювати в області негативних сіткових напруг.

Катодний струм у тетроді є сумою струмів анода, що екранує та управляє сіток.

На сітку, що екранує, подається постійна позитивна напруга, що становить 20-50% анодної напруги. Воно створюється на ділянці "катод - сітка, що екранує - прискорювальне поле", знижує потенційний бар'єр у катода. Це необхідне руху електронів до анода.

Анод через дві сітки дуже слабко діє потенційний бар'єр біля катода. Якщо напруга екрануючої сітки дорівнює нулю, то поле, що гальмує, створюване негативною напругою сітки, що управляє, значно сильніше слабкого прискорюючого поля, проникаючого від анода. Результуюче поле на ділянці "керуюча сітка - катод" виходить гальмуючим. Інакше кажучи, напруга, що діє, у цьому випадку негативно і потенційний бар'єр у катода настільки високий, що електрони його не можуть подолати. Отже, лампа замкнена і анодний струм дорівнює нулю.

Прохідна ємність між електродами лампи зменшується приблизно стільки разів, скільки збільшується коефіцієнт посилення. Чим густіше екранує сітка, тим менше її проникність, тим більше зменшується прохідна ємність. Якби сітка, що екранує, була суцільною, то прохідна ємність зменшилася б до нуля, але сітка перестала б пропускати електрони до анода.

33. Динатронний ефект у зошит

Істотним недоліком тетроду є динатронний ефект аноду. Електрони, ударяючи в анод, вибивають із нього вторинні електрони. Вторинна емісія з анода існує у всіх лампах, але в діодах та тріодах вона не викликає наслідків і залишається непомітною. У цих лампах вторинні електрони, що вилетіли з анода, все повертаються нею, оскільки анод має найбільший позитивний потенціал проти потенціалами інших електродів. Тому жодного струму вторинних електронів немає.

У тетроді вторинна емісія анода не проявляє себе, якщо напруга сітки, що екранує, менше напруги анода. За цієї умови вторинні електрони повертаються на анод. Якщо ж тетрод працює в режимі навантаження, то при збільшенні анодного струму зростає падіння напруги на навантаженні, а напруга анода в деякі проміжки часу може стати менше постійної напруги сітки, що екранує. Тоді вторинні електрони, вилетівши з анода, не повертаються на нього, а притягуються до сітки, що екранує, має більш високий позитивний потенціал. Виникає струм вторинних електронів, спрямований протилежно до струму первинних електронів. Загальний анодний струм зменшується, а струм сітки, що екранує, збільшується. Таке явище називають динатронним ефектом аноду.

Динатронний ефект суттєво впливає на анодні характеристики тетроду. При нульовій анодній напрузі існує дуже невеликий початковий анодний струм, яким зазвичай можна знехтувати. Струм екрануючої сітки при цьому найбільший. Подібно до того, як було в тріоді режим повернення, в даному випадку електрони, які пролетіли крізь сітку, що екранує, беруть участь у створенні її струму разом з тими електронами, які перехоплюються цією сіткою. Зміна анодної напруги змінює iвисоту цього бар'єру, в результаті чого різко змінюється розподіл електронного потоку між анодом і сіткою, що екранує.

В анодних характеристиках тетроду можна назвати чотири області. Перша область відповідає невеликим анодним напругам, приблизно до 10-20 В. Вторинної емісії з анода ще немає, оскільки швидкість первинних електронів недостатня для вибивання вторинних електронів. Зі збільшенням анодної напруги спостерігається різке зростання анодного струму і зменшення струму сітки, що екранує, що характерно для режиму повернення.

Анодна напруга слабко впливає на катодний струм, оскільки поле анода діє потенційний бар'єр у катода через дві сітки. Тому катодний струм змінюється мало, і його характеристика йде з невеликим підйомом.

Якщо напруга анода перевищить 10-20, то з'являється вторинна емісія і виникає динатронний ефект. Зі збільшенням анодної напруги вторинна емісія анода збільшується, струм анода зменшується, а струм сітки, що екранує, зростає. Мінімум анодного струму виходить за найбільш сильно вираженому динатронному ефекті. У цьому режимі струм вторинних електронів найбільший. Цей струм залежить від величини вторинної емісії і напруги сітки-анода, що екранує, яке створює прискорювальне поле для вторинних електронів.

Коли анодна напруга стає вище напруги сітки, що екранує, то спостерігається невеликий зростання анодного струму і незначне зменшення струму екрануючої сітки. Вторинна емісія анода у цій галузі існує, але вторинні електрони все повертаються на анод, т. е. динатронного ефекту з боку анода немає. Зате відбувається попадання на анод вторинних електронів, вибитих з сітки, що екранує, за рахунок яких анодний струм дещо зростає, а струм екрануючої сітки зменшується.

Щоб динатронний ефект не міг виникнути, напруга сітки, що екранує, повинна бути завжди менше анодної напруги.

34. ПРИСТРІЙ І РОБОТА ПЕНТОДУ

Основний недолік тетроду - динатронний ефект - призвів до того, що були розроблені та набули широкого поширення п'ятиелектродні лампи, які називаються пентодами. Вони ще сильніше виражені все позитивні властивості тетродів разом із тим усунуто динатронний ефект.

У пентаді для усунення динатронного ефекту є ще одна сітка, розташована між анодом і сіткою, що екранує. Її називають захисною сіткою, оскільки вона захищає лампу від динатронного ефекту. Зустрічаються також інші назви цієї сітки: антидинатронна, противодинатронная, пентодна, третя.

Захисна сітка зазвичай з'єднується з катодом, тобто має нульовий потенціал щодо катода та негативний щодо анода. У деяких випадках на захисну сітку подається невелика постійна напруга. Наприклад, збільшення корисної потужності генераторні пентоди працюють при позитивному напрузі на захисної сітці, а модуляції коливань шляхом зміни напруги захисної сітки у ньому встановлюється негативне зміщення. Однак і в цих випадках потенціал захисної сітки зазвичай залишається набагато нижчою за потенціал анода і антидинатронна дія цієї сітки приблизно така ж, як і при нульовому її потенціалі.

У багатьох пентодах з'єднання захисної сітки з катодом роблять усередині лампи, і тоді на цій сітці напруга завжди дорівнює нулю. Якщо є висновок захисної сітки, то з'єднання її з катодом роблять у монтажі схеми.

Роль захисної сітки полягає в тому, що між нею та анодом створюється електричне поле, яке гальмує, зупиняє та повертає на анод вторинні електрони, вибиті з анода. Вони не можуть проникнути на сітку, що екранує, навіть якщо її напруга вище анодного, і динатронний ефект повністю усувається.

На ділянці між екрануючою та захисною сітками для електронів, що летять від катода, створюється поле, що гальмує, і може здатися, що це викличе зменшення анодного струму. Однак електрони, отримавши велику швидкість під дією прискорюючого поля сітки, що екранує, і пролетівши через неї, долітають до захисної сітки і не втрачають повністю своєї швидкості, так як у просторі між витками цієї сітки потенціал не нульовий, а позитивний.

Нульовий потенціал є на провідниках захисної сітки, а проміжках між ними потенціал вище нуля, але нижче, ніж аноді. У проміжку анод - сітка створюється вторинний потенційний бар'єр, який не можуть подолати вторинні електрони, вибиті з анода. Цей бар'єр істотно впливає на процес струморозподілу в пентаді.

Пентоди відрізняються від тетродів вищим коефіцієнтом посилення, що досягає деяких пентодів кілька тисяч. Це пояснюється тим, що захисна сітка виконує роль додаткової сітки, що екранує. Отже, в пентоді дія анода в порівнянні з дією сітки, що управляє, ще слабше, ніж у тетроді. Відповідно зростає і внутрішній опір, який у деяких пентодів сягає мільйонів Ом. Прохідна ємність стає ще меншою, ніж у тетродів. Крутизна пентодів такого самого порядку, як у тріодів і тетродів, тобто в межах 1-50 мА/В.

Пентод можна привести до еквівалентного діода так само, як це було зроблено для тетрода. Проникність пентода – дуже мала величина. Отже, коефіцієнт посилення пентоду може бути дуже значним.

35. ПАРАМЕТРИ ТЕТРОДІВ І ПЕНТОДІВ

Статичні параметри тетродів та пентодів визначаються аналогічно до параметрів тріода. Для практичного визначення параметрів беруть відношення кінцевих збільшень.

Керуюча сітка в тетродах та пентодах розташована щодо катода так само, як і в тріодах. Тому крутість у тетродів і пентодів такого самого порядку, як у тріодів,т. е. становить одиниці або десятки міліампер на вольт, хоча деяке зниження крутості виходить за рахунок того, що анодний струм завжди менше катодного струму.

Внаслідок того, що дія анодної напруги в тетроді або пентаді ослаблена в багато разів, внутрішній опір виходить в десятки і сотні разів більшим, ніж у тетрода, і доходить до сотень кілоом.

Внутрішнє опір сильно залежить від процесу струморозподілу, так як при зміні анодної напруги анодний струм змінюється за рахунок цього процесу. Можна вважати, що внутрішній опір пентода складається з двох опорів, з'єднаних паралельно. Одне визначається впливом поля анода крізь три сітки на потенційний бар'єр у катода, за рахунок чого відбувається дуже невелика зміна анодного струму. Чим густіше сітки, тим цей опір більший. Другий опір визначається зміною анодного струму за рахунок процесу струморозподілу і зазвичай значно менше першого опору.

Коефіцієнт посилення може бути в десятки і сотні тисяч разів більшим, ніж у тріодів, тобто величина його сягає сотень і тисяч.

У тетродах і пентодах катодний струм завжди більше анодного, оскільки струм сітки, що екранує, завжди існує разом з анодним струмом.

Внаслідок значної нелінійної характеристики тетроду та пентоду параметри при зміні режиму досить сильно змінюються. При збільшенні негативної напруги сітки, що управляє, тобто при зменшенні анодного струму, крутість зменшується, а внутрішній опір і коефіцієнт посилення збільшуються. Особливістю тетродів та пентодів у порівнянні з тріодами є сильна залежність коефіцієнта посилення від режиму.

Якщо режимі повернення характеристики переплітаються, то крутість і коефіцієнт посилення може мати значення, рівні нулю і менше нуля.

Зі збільшенням негативної напруги сітки, що управляє, анодні характеристики в робочій області йдуть більш порожнього і ближче один до одного, що відповідає збільшенню внутрішнього опору і зменшенню крутизни.

У деяких схемах тетрод або пентод використовується так, що його тріодна частина, що складається з катода, сітки, що управляє, і екрануючої сітки, працює в одному каскаді, а вся лампа входить до складу іншого каскаду.

Крутизна і коефіцієнт посилення по сітці, що екранує, зазвичай не становлять інтересу, так як екрануюча сітка, як правило, не використовується в якості керуючої і напруга на ній буває постійно.

Крім розглянутих параметрів, є інші, аналогічні тим, які були вказані для тріода. При розрахунку режимів роботи та практичному застосуванні тетродів і пентодів необхідно враховувати граничні значення струмів, напруг і потужностей, зокрема важлива гранична потужність, що виділяється на сітці, що екранує.

36. ПРИСТРІЙ І РОБОТА ПРОМІНЬОВОГО ЗОТРУ

Пізніше пентоди були розроблені і набули поширення променеві тетроди. У них динатронний ефект усунений шляхом створення для вторинних електронів, вибитих з анода, непереборного потенційного бар'єру, розташованого між сіткою, що екранує, і анодом.

Променевий тетрод проти звичайним тетродом має такі особливості конструкції. Збільшено відстань між сіткою, що екранує, і анодом. Керуюча та екрануюча сітка мають однакову кількість витків, причому витки їх розташовані точно один проти одного.

У просторі між сітками відбувається фокусування електронних потоків. Завдяки цьому електрони летять від катода до анода щільнішими пучками - "променями". Щоб електрони не летіли у напрямку тримачів сіток, є спеціальні екрани, або променетворні пластини, з'єднані з катодом. Крім того, частини поверхні катода, що знаходяться проти тримачів сіток, не покриваються оксидним шаром і тому не дають емісії.

У променевому тетроді виходять щільніші електронні потоки, ніж у звичайному тетроді. Збільшення густини струму дає зростання густини об'ємного заряду. Це, у свою чергу, викликає зниження потенціалу в просторі між анодом і сіткою, що екранує. Якщо напруга анода нижче, ніж сітки, що екранує, то в звичайному тетроді спостерігається динатронний ефект, а в променевому тетроді його не буде, так як у проміжку "екрануюча сітка - анод" утворюється потенційний бар'єр для вторинних електронів.

Вторинні електрони, які мають відносно невеликі початкові швидкості, не можуть подолати потенційний бар'єр і потрапити на сітку, що екранує, хоча на останній напруга вище, ніж на аноді. Первинні електроди, маючи великі швидкості, отримані за рахунок напруги сітки, що екранує, долають потенційний бар'єр і потрапляють на анод.

У звичайних тетродах сітка, що екранує, "розбиває" електронні потоки і перехоплює багато електронів. Таку ж дію мають і власники сіток. Тому у звичайних тетродах не виходять досить щільні електронні потоки і створюється необхідний потенційний бар'єр для вторинних електронів.

Утворенню потенційного бар'єру сприяє збільшена відстань між сіткою, що екранує, і анодом. Чим більша ця відстань, тим більше тут знаходиться загальмованих електронів, що мають малі швидкості. Саме ці електрони збільшують об'ємний негативний заряд і зниження потенціалу стає більшим.

Перевагою променевих тетродів у порівнянні зі звичайними тетродами є також менший струм екрануючої сітки. Він марний і його зменшення дуже бажане. У променевих тетродах електрони летять через просвіти сітки, що екранує, і майже не перехоплюються нею. Тому струм сітки, що екранує, становить не більше 5-7% анодного струму.

Анодно-сіточні характеристики променевих тетродів такі ж, як у звичайних тетродів або пентодів.

У потужних каскадах посилення низької та високої частоти променеві тетроди успішно замінюють пентоди. Для отримання покращених характеристик випускають променеві пентоди. У них сітки подібні до сіток променевого тетроду, і електрони летять до анода променями через просвіти захисної сітки. Тому у променевих пентодів струм екрануючої сітки значно менше, ніж у звичайних пентодів.

37. ПРИНЦИП ПЕРЕТВОРЕННЯ ЧАСТОТИ

Перетворенням частоти є будь-яка її зміна. Наприклад, при випрямленні змінний струм із частотою перетворюється на постійний струм, у якого частота дорівнює нулю. У генераторах енергія постійного струму, що має частоту, що дорівнює нулю, перетворюється на енергію змінного струму потрібної частоти.

Допоміжну напругу одержують від малопотужного генератора, званого гетеродином. На виході перетворювача виходить коливання з новою перетвореною частотою, яку називають проміжною частотою.

Як перетворювач частоти повинен застосовуватися нелінійний або параметричний прилад.

Якби перетворювач частоти був лінійним приладом, то в ньому відбулося б просто додавання двох коливань. Наприклад, при додаванні двох коливань з близькими, але не кратними частотами вийшли б биття, тобто складне коливання, у якого частота змінювалася б в деяких межах близько середнього значення, а амплітуда змінювалася б з частотою, що дорівнює різниці частот. Такі биття не містять коливання з новою частотою. Але якщо биття детектувати (випрямити), то внаслідок нелінійності цього процесу виникає складова із проміжною частотою.

На виході перетворювача частоти виходить складне коливання, що має складові багатьох частот.

Усі нові частоти, що є комбінації частот та його гармонік, називаються комбінаційними частотами. Вибираючи відповідну допоміжну частоту, можна отримати нову частоту!

Серед нових частот містяться і гармоніки початкових коливань із частотами у кілька разів більшими за вихідні. Але їх можна отримати простіше при нелінійному спотворенні однієї з напруг, що підводяться. Наявність двох напруг виникнення гармонік необов'язково.

Як правило, амплітуди комбінаційних коливань (і гармонік) тим менші, що вище значення частот. Тому в більшості випадків як коливання нової проміжної частоти використовують коливання різницевої частоти, а іноді сумарної. Комбінаційні частоти вищого порядку використовуються рідко.

Перетворення частоти в радіоприймачах у більшості випадків здійснюється так, що при прийомі сигналів різних радіостанцій, що працюють на різних частотах, створюються коливання однієї і тієї ж проміжної частоти. Це дозволяє отримати велике посилення і високу вибірковість, причому вони залишаються майже постійними у всьому діапазоні частот сигналів, що приймаються. Крім того, при постійній проміжній частоті виходить стійкіша робота підсилювальних каскадів і вони значно простіше по пристрої, ніж каскади, розраховані на діапазон частот.

У радіоприймальних і радіовимірювальних пристроях як проміжна найчастіше використовується різницева частота, причому допоміжна частота зазвичай вище частоти сигналу, що перетворюється. Таке співвідношення між частотами обов'язково, якщо проміжна частота повинна бути вищою за частоту сигналу.

38. ЛАМПИ ДЛЯ ПЕРЕТВОРЕННЯ ЧАСТОТИ

Для перетворення частоти застосовують різні нелінійні чи параметричні прилади. Наприклад, у приймачах для дециметрових та сантиметрових хвиль у перетворювачах частоти працюють вакуумні або напівпровідникові діоди. Тріоди використовують для перетворення частоти в діапазонах дециметрових і метрових хвиль.

перетворення здійснюється в такий спосіб. До лампи підводять напругу із частотами сигналу та допоміжної частоти. Тоді анодний струм лампи пульсує одночасно із цими частотами. Внаслідок того, що лампа є нелінійною, або параметричним приладом, в її анодному струмі з'являються компоненти з комбінаційними частотами. На одну з них, зазвичай, на різницеву, налаштований анодний коливальний контур. Він має великий опір тільки для струму резонансної частоти і на ньому виходить посилена напруга лише з проміжною частотою. Таким чином, контур виділяє коливання проміжної частоти.

У схемах перетворювальної частоти необхідно по можливості усунути зв'язок між ланцюгами сигналів, що приходять, і ланцюгами гетеродина. Зазвичай у тих та інших є коливальні контури. За наявності зв'язку між ними спостерігається вплив одного контуру на інший, порушення правильної їх настройки, погіршення стабільності частоти гетеродина та за відсутності підсилювача високої частоти паразитне випромінювання коливань гетеродина та за відсутності підсилювача високої частоти паразитне випромінювання коливань гетеродина через антену приймача.

При використанні тріода напруги сигналу та гетеродина подаються в ланцюг сітки і це призводить до значного зв'язку між ланцюгами сигналу та гетеродина. Подібний метод перетворення частоти називається односіточним.

Ослаблення зв'язку між ланцюгами сигналу і гетеродина досягається при двосіточному перетворенні частоти, яке можна здійснити за допомогою пентода, якщо використовувати його як лампа з подвійним керуванням. У цьому випадку складання коливань сигналу та гетеродина відбувається в електронному потоці всередині лампи внаслідок того, що коливання подані різні сітки. Напруга сигналу підводиться до сітки, що управляє, а напруга гетеродина - до захисної сітки, яка використовується як друга керуюча. Якщо напруга цієї сітки залишається значно нижчою від мінімальної напруги анода, то вона, як і раніше, працює і як захисна сітка. Екрануюча сітка майже повністю усуває паразитний ємнісний зв'язок між ланцюгами сигналу та гетеродина.

Лампу, в якій здійснюється перетворення частоти, іноді називають змішувальної, тому що в ній відбуваються додавання двох коливань з різними частотами, а каскад, в якому працює ця лампа, називають змішувачем. Таким чином, перетворення частоти складається із змішувача та гетеродина, у кожному з яких має працювати своя лампа.

Багатоелектродні лампи з подвійним керуванням для перетворення частоти - гептоди - мають дві сітки, що управляють, і працюють одночасно в змішувачі і гетеродині, тобто замінюють дві лампи, вони використовуються в приймачах середніх і коротких хвиль, але на УКХ працюють погано.

Гептод має п'ять сіток. Перевагою гептодів є наявність захисної сітки, завдяки якій збільшується внутрішній опір лампи.

При роботі гептодів на хвилях коротше 20 м стабільність частоти гетеродина виявляється недостатньою і доводиться застосовувати гетеродин з окремою лампою, тобто використовувати гептод тільки як змішувальну, а не перетворювальну лампу. На цих хвилях найкращі результати у перетворювачах частоти дають пентоди та тріоди.

39. ХАРАКТЕРИСТИКИ ТА ПАРАМЕТРИ ЛАМП З ПОДВІЙНИМ УПРАВЛІННЯМ

Усі багатосіточні лампи з подвійним керуванням мають екрануючу сітку і подібні до пентодів або тетродів, в які додані ще сітки, що утворюють тріодну (гетеродину) частину. За своїми характеристиками та параметрами ці лампи аналогічні пентодам та тетродам, а за характеристиками та параметрами тріодної частини – звичайними тріодами. Крім того, лампи з подвійним керуванням мають додаткові характеристики та параметри, зумовлені наявністю двох сіток, що управляють.

Струм анода зростає при зміні позитивної сторони напруг обох сіток. Крутизна по першій сітці тим більше, що вища напруга сітки. Якщо напруга змінюється на позитивний бік, то знижується потенційний бар'єр у катода і дедалі більше електродів долає цей бар'єр. Відповідно ростуть катодний струм, анодний струм і струм сітки, що екранує.

При зміні напруги відбувається зміна струморозподілу між анодом і сіткою подібне до того, що спостерігається в пентоді при зміні напруги його захисної сітки.

Подвійне керування анодним струмом зводиться до того, що зміна напруги однієї сітки, що управляє, змінює крутизну характеристики по іншій керуючій сітці. Внаслідок зміни крутості - основного параметра, що характеризує керуючу дію сітки, під впливом напруги іншої сітки, що управляє, лампа є параметричним приладом, придатним для перетворення частоти.

Процес перетворення частоти у лампі з подвійним керуванням можна пояснити за допомогою сімейства характеристик гептода. Так як анодний коливальний контур налаштований на проміжну частоту і частотах сигналу і гетеродина має малий опір, то для коливань цих частот лампа практично працює в режимі без навантаження і зміни анодного струму визначаються зі статичних характеристик.

Найважливішим параметром, що характеризує часто-перетворювальні лампи, є крутість перетворення. Вона є відношенням амплітуди першої гармоніки змінної складової проміжної частоти, отриманої в анодному струмі, до амплітуди напруги сигналу. При цьому напруги на екрануючій та захисній сітках та аноді постійні.

Крутизна перетворення зростає зі збільшенням амплітуди напруги гетеродину.

Багато частотоперетворювальні лампи мають подовжені характеристики для здійснення автоматичного регулювання посилення перетворювального каскаду. Але тоді прийому сильних сигналів, т. е. при зміщенні робочої точки на нижні нелінійні ділянки характеристики, різко зростають амплітуди комбінаційних коливань, які можуть бути причинами перешкод у приймачі.

У сучасній апаратурі використовують комбіновані лампи, що мають в одному балоні дві, а іноді три або чотири окремі системи електродів. Застосування таких ламп зменшує габарити апаратури та спрощує монтаж. На схематичних зображеннях комбінованих ламп для спрощення часто показують лише один підігрівач та один катод. У багатьох лампах, особливо призначених для високих частот, ставлять екрани, що усувають паразитний ємнісний зв'язок між окремими системами електродів.

Конструктивне виконання електродів комбінованих ламп буває різним. Часто зустрічаються окремі електродні системи із екраном. У деяких лампах роблять загальний катод, а електронні потоки, що йдуть від різних частин поверхні, використовуються кожен у своїй системі електродів. Можливе встановлення вздовж загального катода електродних систем з роздільними екранами.

40. СПЕЦІАЛЬНІ ТИПИ ПРИЙМАЛЬНО-ПІДСИЛЮВАЛЬНИХ ЛАМП

Збільшення крутості досягається зменшенням відстані "сітка - катод" до кількох десятків мікронів. Але виготовлення ламп з малою відстанню "сітка - катод" складно і недостатньо надійно, оскільки є небезпека замикання сітки з нерівною поверхнею оксидного катода. Іншим методом підвищення крутості є застосування катодної сітки, розташованої між сіткою, що управляє, і катодом і має деякий позитивний потенціал. Електрони, що випускаються катодом, прискорюються катодною сіткою, пролітають у її просвіти і створюють на дуже малій відстані від сітки, що управляє, область підвищеної щільності об'ємного заряду і другий потенційний бар'єр. На його висоту напруга сітки, що управляє, впливає дуже сильно. В результаті сітка, що управляє, може дуже ефективно керувати електронним потоком.

Значне підвищення крутості досягається в лампах із вторинною емісією. Дослідження щодо застосування вторинної емісії в лампах велися давно, але довго не вдавалося сконструювати такі лампи, що працюють стійко і створюють невеликі власні шуми. Причина цих шумів – нерівномірність процесу вторинної емісії. Знайдено нові сплави важких металів з легкими, наприклад міді з бериллієм, які дають високу та стійку вторинну емісію. При їх використанні шуми знижуються, хоча вони все ж таки більше, ніж у звичайних лампах.

Лампи з вторинною емісією мають додатковий електрод – вторинно-емісійний катод (динод). До нього подається позитивний потенціал, менший, ніж анод. Первинні електрони, що летять з катода, ударяють у вторинно-емісійний катод і вибивають із нього вторинні електрони, які летять до анода, що має більш високий позитивний потенціал. Потік вторинних електронів у кілька разів більший, ніж потік вторинних електронів. Саме тому крутість лампи виходить високою.

Струм вторинно-емісійного катода трохи менше анодного струму і в зовнішній частині ланцюга має напрямок, зворотний до анодного струму. Крутизна лампи струму вторинно-емісійного катода зазвичай трохи менше, ніж крутість анодного струму. Електрони анодного струму рухаються по провіднику зовнішньої частини анодного ланцюга від анода, а електрони струму вторинно-емісійного катода у зовнішньому ланцюгу рухаються у напрямку до цього катода, так як усередині лампи від нього йде більше вторинних електронів, ніж приходить до нього первинних.

При подачі на сітку змінної напруги внаслідок протилежності напрямків струмів анода і вторинно-емісійного катода на резисторах навантаження, включених в ланцюги цих електродів, отримують посилені змінні напруги, що знаходяться в протифазі.

Звичайний каскад посилення перевертає фазу напруги. А в ланцюзі вторинно-емісійного катода виходить посилена напруга, що збігається по фазі зі змінною напругою сітки. Ця властивість дозволяє вельми просто здійснити позитивний зворотний зв'язок між ланцюгами вторинно-емісійного катода і сітки для генерації коливань різної форми, збільшення посилення, зменшення ширини смуги частот коливань, що пропускаються, та інших цілей.

Випускаються надмініатюрні приймально-підсилювальні металокерамічні тріоди і тетроди, звані нувісторами. Вони призначені для посилення, генерування та перетворення частоти. Вони мають мініатюрний металокерамічний балон.

41. ВИДИ ЕЛЕКТРИЧНИХ РОЗРАДІВ У ГАЗАХ

Розрізняють самостійні та несамостійні розряди в газі. Самостійний розряд підтримується за рахунок дії електричної напруги. Несамостійний розряд може існувати за умови, що, крім електричної напруги, діють ще якісь зовнішні іонізуючі фактори. Ними можуть бути промені світла, радіоактивне випромінювання, термоелектронна емісія розжареного електрода та ін Розглянемо основні види електричних розрядів, що зустрічаються в іонних приладах.

Темний (чи тихий) розряд є несамостійним. Він характеризується щільністю струму системи мікроампер на квадратний сантиметр і дуже малою щільністю об'ємних зарядів. Поле, створене прикладеною напругою, при темному розряді практично не змінюється за рахунок об'ємних зарядів, тобто їх впливом можна знехтувати. Свічення газу відсутнє. У іонних приладах для радіоелектроніки темний розряд не використовується, але передує початку інших видів розряду.

Тліючий розряд відноситься до самостійних. Для нього характерне свічення газу, що нагадує свічення тліючого тіла. Щільність струму при цьому розряді досягає одиниць і десятків міліампер на квадратний сантиметр і виходять об'ємні заряди, що впливають на електричне поле між електродами. Напруга, необхідне тліючого розряду, становить десятки чи сотні вольт. Розряд підтримується з допомогою електронної емісії катода під ударами іонів.

Основними приладами тліючого розряду є стабілітрони - іонні стабілізатори напруги, газосвітлі лампи, тиратрони тліючого розряду, цифрові індикаторні лампи та декатрони - іонні рахункові прилади.

Дуговий розряд виходить при щільності струму, значно більших, ніж у розряді, що тліє. До приладів несамостійного дугового розряду відносяться газотрони та тиратрони з розжареним катодом; у ртутних вентилях (екзитронах) та ігнітронах, що мають рідкий ртутний катод, а також у газових розрядниках відбувається самостійний дуговий розряд.

Дуговий розряд може бути не тільки при зниженому, але й нормальному або підвищеному атмосферному тиску.

Іскровий розряд має схожість із дуговим. Він є короткочасний (імпульсний) електричний розряд при порівняно високому тиску газу, наприклад при нормальному атмосферному. Зазвичай в іскрі спостерігається ряд імпульсних розрядів, що йдуть один за одним.

Високочастотні розряди можуть виникати в газі під дією змінного електромагнітного поля навіть за відсутності струмопідвідних електродів (безелектродний розряд).

Коронний розряд є самостійним та використовується в іонних приладах для стабілізації напруги. Він спостерігається при порівняно великих тисках газу у випадках, коли хоча б один із електродів має дуже малий радіус кривизни. Тоді поле між електродами виходить неоднорідним і біля загостреного електрода, званого коро-нуючим, напруженість поля різко збільшена. Коронний розряд виникає при напрузі близько сотень чи тисяч вольт і характеризується малими струмами.

42. ТЛІЮЧИЙ РОЗРЯД

Розглянемо тліючий розряд між плоскими електродами. За відсутності розряду, коли об'ємних розрядів немає, поле однорідне і потенціал між електродами розподілено за лінійним законом. В електронному (вакуумному) приладі за наявності емісії існує негативний об'ємний заряд, що створює поблизу катода потенційний бар'єр. Цей бар'єр перешкоджає отриманню великого анодного струму.

В іонному приладі з розрядом, що тліє, за рахунок великої кількості позитивних іонів створюється позитивний об'ємний заряд. Він викликає зміну потенціалу у просторі " анод - катод " в позитивну сторону.

В іонному приладі розподіл потенціалу такий, що майже вся анодна напруга падає в тонкому шарі газу біля катода. Ця область називається катодною частиною розрядного проміжку. Її товщина залежить від відстані між електродами.

Біля катода створюється сильне поле, що прискорює. Анод ніби наближається до катода. Роль анода виконує "нависла" над катодом іонна хмара з позитивним зарядом. В результаті дія об'ємного негативного заряду компенсується і потенційного бар'єру біля катода немає.

Друга частина розрядного проміжку характеризується невеликим падінням напруги. Напруженість поля у ній мала. Її називають областю газової, чи електронно-іонної, плазми. З неї виділяють частину, прилеглу до анода і викликану анодною частиною розрядного проміжку, або областю падіння анодного потенціалу. Область між катодною та анодною частинами називають стовпом розряду. Анодна частина не має важливого значення, і можна розглядати стовп розряду та анодну частину як одну область плазми.

плазма - це сильно іонізований газ, у якому кількість електронів та іонів практично однакова. У плазмі безладний рух частинок переважає їх спрямованим рухом. Але все ж таки електрони рухаються до анода, а іони - до катода.

Сили поля, що діють на електрони та іони, однакові і лише протилежні за напрямом, оскільки заряди цих частинок рівні, але обернені за знаком. Але маса іона в тисячі разів більша за масу електрона. Тому іони отримують відповідно менші прискорення та набувають відносно малі швидкості. Порівняно з електронами, іони майже нерухомі. Отже, струм в іонних приладах є переміщенням електронів. Частка іонного струму дуже мала і її можна не брати до уваги. Іони виконують своє завдання. Вони утворюють позитивний об'ємний заряд, який значно перевищує негативний об'ємний заряд і знищує потенційний бар'єр біля катода.

Область катодної напруги відіграє важливу роль. Іони, що проникли з плазми в цю область, отримують тут прискорення. Вдаряючи в катод із великою швидкістю, іони вибивають із нього електрони. Цей процес необхідний підтримки розряду. Якщо швидкість іонів недостатня, то електронної емісії не вийде і розряд припиниться. Електрони, що вилетіли з катода в області катодного падіння, також прискорюються і влітають у плазму зі швидкістю, значно більшою, ніж необхідно для іонізації атомів газу. Електрони стикаються з атомами газу різних частинах плазми. Тому іонізація відбувається у всьому обсязі. У плазмі відбувається також рекомбінація.

Лише мала частина іонів, що виникли у плазмі, бере участь у створенні електронної емісії катода. Більшість іонів рекомбінує з електронами та не доходить до катода.

43. СТАБІЛІТРОНИ

Приладами тліючого або коронного розряду є стабілітрони. Найбільш широко поширені стабілітрони тліючого розряду, що працюють у режимі нормальної катодної напруги.

Оскільки темний розряд, що передує розряду, що тліє, не використовується, не представляє інтересу, його не показують на вольт-амперній характеристиці стабілітрона. Точку виникнення розряду вказують на вертикальній осі. Практично так і виходить, тому що міліамперметр для вимірювання струму розряду, що тліє, не покаже мізерно малого струму темного розряду.

Область нормального катодного падіння, придатна для стабілізації, обмежена мінімальним та максимальним струмами. При струмі, меншому від мінімального, розряд може припинитися. Максимальний струм відповідає початку режиму аномального катодного падіння, або при ньому досягається граничний нагрівання електродів.

Стрибок струму при виникненні розряду може бути різним залежно від опору резистора. Якщо воно велике, то з'являється порівняно невеликий струм, а якщо взяти мале, виникає великий струм. Для стабілізації це невигідно, тому що ділянка стабілізації напруги скорочується. При малому опорі може навіть статися стрибок струму область аномального катодного падіння, і стабілізації взагалі вийде. Таким чином, обмежувальний резистор з достатнім опором необхідний з двох причин: щоб не сталося надмірного зростання струму (короткого замикання) і міг існувати режим стабілізації напруги.

Чим більша площа катода, тим ширше виходить область стабілізації, оскільки мінімальний струм залишається незмінним, а максимальний струм зростає пропорційно площі катода. Тому для стабілітронів характерний катод із великою поверхнею. Анод роблять малих розмірів, але не повинен перегріватися від максимального струму.

Найбільш поширені двоелектродні стабілітрони тліючого розряду з циліндричним катодом з нікелю або сталі. Анодом служить тяганина діаметром 1-1,5 мм. Балон наповнений сумішшю інертних газів (неон, аргон, гелій) при тиску десятки міліметрів ртутного стовпа.

Параметрами стабілітрона є: нормальна робоча напруга або напруга стабілізації, що відповідає середній точці області стабілізації, напруга виникнення розряду, мінімальний та максимальний струм, зміна напруги стабілізації та внутрішній опір змінному струму. Застосовуючи різні суміші газів, підбирають необхідне значення напруги стабілізації.

Для стабілітронів коронного розряду характерні високі напруги та малі струми. У таких стабілітронів електроди циліндричної форми виготовлені з нікелю. Балон наповнений воднем, причому напруга стабілізації залежить від тиску газу. Робочі струми перебувають у межах 3-100 мкА. Внутрішнє опір змінному струму цих стабілітронів становить сотні кілоом. Процес виникнення розряду стабілітронів коронного розряду триває 15-30 с.

Стабілітрони найчастіше працюють у режимі, коли опір навантаження незмінний, а напруга джерела нестабільна.

Для стабілізації вищих напруг стабілітрони з'єднують послідовно, зазвичай не більше двох-трьох. Вони можуть бути на різні напруги, але на однакові мінімальні та максимальні струми.

44. ГАЗОТРОНИ

Газотрони - це іонні діоди з несамостійним дуговим розрядом, що підтримується за рахунок термоелектронної емісії катода. Призначенням газотронів є випрямлення змінного струму. В даний час застосовуються газотрони з інертним газом у вигляді аргону або ксеноно-криптонової суміші при тиску порядку одиниць міліметрів ртутного стовпа.

У більшості газотронів оксидний катод прямого або непрямого розжарення. У потужніших газотронах він має значну поверхню. Анод у формі диска, напівсфери чи циліндра має порівняно невеликі розміри. Для газотронів характерна низька напруга розжарювання, не більше 5 В. Якщо застосувати більш високу напругу, то може виникнути дуговий розряд між кінцями підігрівача, на що марно витрачатися енергія джерела розжарення. При низькій напрузі напруження катоди потужних газотронів доводиться живити великим струмом. Перевага газотронів перед кенотронами полягає у малому падінні напруги на самому газотроні. Воно становить приблизно 15-20 і майже залежить від анодного струму. Тому ККД газотронних випрямлячів вище, ніж кенотронних, і він тим більше, чим вище напруга, що випрямляється. У високовольтних випрямлячах на газотронах ККД буває до 90% і більше.

До виникнення розряду в газотроні спостерігається електронний струм, який зростає зі збільшенням напруги так само, як у вакуумному діоді. Цей струм дуже малий і практичного значення немає.

Виникнення дугового розряду виходить при напрузі, яка трохи більше потенціалу іонізації. Так як газотрон включається обов'язково через обмежувальний резистор, після виникнення розряду з'являється падіння напруги на резисторі і напруга на газотроні дещо знижується.

При збільшенні напруги джерела струм у газотроні зростає, а падіння напруги на ньому незначно змінюється, хоча не залишається постійним, як у стабілітронах. Про використання газотрону для стабілізації не може бути мови, оскільки невигідно отримувати низьку напругу при значних витратах енергії на розжарення газотрону. Робоча напруга на газотроні такого ж порядку, як потенціал іонізації, тобто 15-25 ст.

Відносна сталість напруги на газотроні виходить не за рахунок режиму катодної напруги, характерного для приладів розряду, що тліє. У газотронах площа катода не змінюється, але при зростанні струму опір приладу постійному струму зменшується, оскільки збільшуються іонізація і кількість електронів і іонів в одиниці об'єму. Крім того, наближається до катода позитивний об'ємний заряд іонів, що рівнозначно зменшенню відстані анод - катод.

У газотроні розподіл потенціалу у просторі " анод - катод " приблизно такий самий, як і приладах тліючого розряду, але величина анодного напруги менше й у катода є потенційний бар'єр, як і електронних лампах.

Катод у газотроні працює у важких умовах унаслідок бомбардування його позитивними іонами. Маючи порівняно більшу масу, іони руйнують оксидний шар, якщо їхня швидкість перевищить допустиме значення.

45. ТИРАТРОНИ ДУГОВОГО РОЗРЯДУ

Тиратрони з розжареним катодом, працюючі подібно до газотронів в режимі дугового розряду, використовують для випрямлення змінного струму і як реле в автоматиці, телеуправлінні, імпульсній техніці, радіолокації та інших областях.

За багатьма властивостями і з влаштування тиратрони подібні до газотронів, але сітка дозволяє керувати величиною напруги виникнення розряду.

Сітка в тиратронах має бути такою, щоб розряд проходив лише через неї, а не обхідним шляхом. Тому сітка сама або у поєднанні з тепловим екраном охоплює катод майже з усіх боків. Робоча частина сітки робиться з кількома отворами, а решта її частини є екраном. У деяких тиратронів невеликої потужності конструкція електродів майже така сама, як у електронних ламп.

Катод та анод у тиратроні працюють так само, як у газотроні. Особливості роботи та правило експлуатації газотронів повністю відносяться і до тиратронів.

Роль сітки в тиратроні полягає в тому, щоб при позитивній напрузі анода тримати тиратрон у замкненому стані за допомогою негативної напруги сітки. А при зменшенні цієї напруги або підвищенні анодної напруги виникає розряд, тобто тиратрон відмикається. Чим більша негативна напруга сітки, тим при вищій анодній напрузі виникає розряд. Це тим, що з негативному сітковому напрузі у проміжку " сітка - катод " створюється високий потенційний бар'єр для електронів, емітованих катодом. Електрони не зможуть долати цей бар'єр та пролетіти до анода. Зменшення негативного потенціалу сітки чи збільшення анодної напруги знижує потенційний бар'єр. Коли електрони починають його долати, всі вони рухаються до анода, набирають швидкість, необхідну іонізації, процес іонізації лавиноподібно наростає і виникає дуговий розряд.

Залежність між анодною напругою виникнення розряду та напругою сітки показує пускова характеристика або характеристика запалювання. Вона знімається за допомогою такої ж схеми, як і для дослідження вакуумного тріода, але з обмежувальним резистором анодного ланцюга. Найзручніше знімати її так. Для кожної точки спочатку встановлюють анодну напругу, що дорівнює нулю, і деяку негативну напругу сітки. Потім збільшують анодну напругу і помічають її значення у разі розряду. Далі знижують анодну напругу до нуля, знімають наступну точку і т.д.

Пускова характеристика показує, що зі збільшенням негативної напруги сітки підвищується анодна напруга, необхідне виникнення розряду.

Пускові характеристики під час роботи тиратрону зі змінною напругою дещо відрізняються від статичних пускових характеристик, знятих на постійному струмі. Це тим, що з змінному напрузі впливає передрозрядний (предпусковой)сеточный струм. Він виникає внаслідок того, що під час негативного напівперіоду, коли тиратрон замкнений, рекомбінація відбувається не миттєво і між електродами є електрони та іони. Це спричиняє зворотний анодний струм. Разом з тим позитивні іони притягуються до негативно зарядженої сітки, утворюючи в ланцюзі передрозрядний струм. У освіті передрозрядного струму може також грати роль термоелектронна емісія сітки. Чим більший анодний струм і вища частота, тим сильніший передрозрядний струм. Наявність такого струму полегшує запалення тиратрону.

46. ​​ЕЛЕКТРОННО-ПРОМІННІ ТРУБКИ

До електронно-променевих приладів відносяться електронно-променеві трубки для осцилографії, прийому телевізійних зображень та індикаторних пристроїв радіолокаторів, передачі телевізійних зображень, що запам'ятовують трубки для електронно-обчислювальних машин, електронно-променеві перемикачі та інші прилади. У всіх цих приладах створюється тонкий пучок електронів (промінь), що керується за допомогою електричного або магнітного поля або обома полями.

Трубки можуть бути з фокусуванням електронного променя електричним або магнітним полем та з електричним або магнітним відхиленням променя. Залежно від кольору зображення на люмінесцентному екрані бувають трубки із зеленим, помаранчевим або жовто-оранжевим світінням – для візуального спостереження, синім – для фотографування осцилограм, білим або триколірним – для прийому телевізійних зображень.

Електронно-променеві трубки з електростатичним керуванням, тобто з фокусуванням та відхиленням променя електричним полем, звані для стислості електростатичними трубками, особливо широко застосовують в осцилографах.

Балон трубки має циліндричну форму з розширенням у вигляді конуса, інколи ж у вигляді циліндра. На внутрішню поверхню основи розширеної частини нанесений люмінесцентний екран – шар речовин, здатних давати свічення під ударами електронів. Усередині трубки розташовані електроди, що мають висновки на штирі цоколя.

Катод зазвичай буває оксидний непрямого розжарення у вигляді циліндра з підігрівачем. Виведення катода іноді поєднане з одним виводом підігрівача. Оксидний шар нанесений на денце катода. Навколо катода розташовується електрод, що керує, званий модулятором, циліндричної форми з отвором в денці. Цей катод служить для керування щільністю електронного потоку та для попереднього фокусування його.

На модулятор подається негативна напруга. Зі збільшенням цієї напруги все більше електронів повертається на катод. При деякому негативному напрузі модулятора трубка замикається.

Наступні електроди, а також циліндричної форми, є анодами. У найпростішому випадку їх лише два. На другому аноді напруга буває від 500 до декількох кіловольт, а на першому аноді напруга в кілька разів менше. Усередині анодів зазвичай є перегородки з отворами (діафрагми).

Під дією прискорюючого поля анодів електрони набувають значної швидкості. Остаточне фокусування електронного потоку здійснюється за допомогою неоднорідного електричного поля у просторі між анодами, а також завдяки діафрагмам. Більш складні фокусуючі системи складаються з більшої кількості циліндрів.

Система, що складається з катода, модулятора і анодів, називається електронним прожектором (електронною гарматою) і служить для створення електронного променя, тобто тонкого потоку електронів, що летять з великою швидкістю від другого анода до люмінесцентно-муекрану.

Відхилення електронного променя і плями, що світиться, на екрані пропорційно напрузі на пластинах, що відхиляються. Коефіцієнт пропорційності у цій залежності називається чутливість трубки.

47. ОСОБЛИВОСТІ РОБОТИ ЛАМП НА СВЕРХВИСОКИХ ЧАСТОТАХ

Лампи для середніх та коротких хвиль працюють незадовільно на НВЧ, що пояснюється такими причинами.

Вплив міжелектродних ємностей та індук-тивностей висновків. Місткості та індуктивності сильно впливають на роботу ламп у діапазоні НВЧ. Вони змінюють параметри коливальних систем, підключених до лампи. В результаті зменшується власна частота коливальних систем і стає неможливим налаштування їх на частоту вище за деяку граничну.

Для кожної лампи характерна деяка гранична частота, яка відповідає резонансній частоті коливального контуру, що виходить при короткому замиканні виводів електродів від лампи.

Індуктивності висновків та міжелектродні ємності, будучи включені в ті чи інші ланцюги лампи, створюють небажані позитивні або негативні зворотні зв'язки та фазові зрушення, що погіршують роботу схеми. Особливо сильно впливає індуктивність виводу катодного. Вона входить одночасно в анодний і сіточний ланцюги і створює значний зворотний зв'язок, внаслідок якого змінюється режим роботи і зменшується вхідний опір лампи, на яке навантажується джерело змінної напруги, що посилюється. Міжелектродні ємності також сприяють зменшенню вхідного опору лампи. Крім того, ці ємності, маючи на надвисоких частотах дуже невеликий опір, можуть викликати в потужніших лампах появу значних ємнісних струмів, що нагрівають висновки від електродів і створюють додаткові втрати енергії.

Вплив інерції електронів. Внаслідок того, що електрони мають масу, вони не можуть миттєво змінювати свою швидкість і миттєво пролітати відстань між електродами. Лампа перестає бути безінерційним чи малоінерційним приладом. На НВЧ проявляється інерція електронів. Інерція електронних процесів у лампі створює шкідливі фазові зрушення, спотворює форму імпульсів анодного струму і є причиною виникнення значних сіткових струмів. В результаті виходить різке зниження вхідного опору лампи, збільшення втрат енергії в лампі, а також зменшення корисної потужності.

При розгляді роботи ламп для спрощення вважають, що струм у ланцюзі якогось електрода утворюється завдяки попаданню на цей електрод потоку електронів, що летять усередині лампи. Такий потік електронів називається конвекційним струмом. Струм у зовнішньому ланцюзі будь-якого електрода лампи є наведений (індукційний) струм.

В електронних лампах роль заряду, що рухається, відіграє потік електронів, що летять від одного електрода до іншого, тобто конвекційний струм. Конвекційні струми всередині лампи завжди збуджують наведені струми у зовнішніх дротах, з'єднаних з електродами лампи. Наведений струм збільшується при збільшенні кількості і швидкості електронів, що летять, а також при зменшенні відстані між ними і даним електродом.

За допомогою наведеного струму краще зрозуміти перетворення енергії, що відбувається при русі електронів в електричному полі. Потік електронів, що летять всередині лампи, створює в ланцюгу акумуляторної батареї наведений струм, напрямок якого збігається з напрямком конвекційного струму. У разі прискорюючого поля наведений струм, що проходить через батарею, буде для неї розрядним струмом. Батарея розряджається, тобто витрачає свою енергію, яка за допомогою електричного поля передається електронам, що летять, і збільшує їх кінетичну енергію. У полі електрони, що гальмують, рухаються за рахунок своїх початкових енергій. У цьому випадку наведений струм, навпаки, буде для батареї зарядним струмом, тобто електрони в полі, що гальмує, віддають свою енергію, яка накопичується в батареї.

48. ВХІДНИЙ ОПИР І ВТРАТИ ЕНЕРГІЇ У ЛАМПАХ

Підсилювальний каскад характеризується коефіцієнтом посилення за потужністю К, що показує, у скільки разів посилюється потужність: К = Рвих / Рвх, де Рвих-корисна потужність, що віддається лампою, а Рвх - потужність, що підводиться до входу лампи.

При малому значенні вхідного опору потужність може настільки зрости, що коефіцієнт дорівнюватиме одиниці або буде ще менше. Очевидно, недоцільно застосовувати підсилювачі, що дають посилення потужності менше ніж у 2-3 рази. З переходом на НВЧ вхідний опір звичайних ламп різко зменшується і посилення потужності виходить малим або навіть відсутнім. Зменшення вхідного опору ламп на НВЧ пояснюється виникненням наведених струмів у ланцюзі сітки.

Залежно від співвідношення часу прольоту та періоду коливань, співвідношення відстаней ділянок "катод - сітка" і "сітка - анод" величини напруг на електродах процеси в тріоді можуть відбуватися по-різному, але все ж таки в будь-якому випадку через прояви інерції електронів на НВЧ виходять великі наведені струми в ланцюзі сітки, що призводять до різкого зменшення вхідного опору.

Найнеприємніше наслідок інерції електронних процесів полягає у появі активної складової сіткового струму. Воно зумовлює наявність у лампи вхідного активного опору, що зменшується з підвищенням частоти та знижує коефіцієнт посилення потужності. Активний вхідний опір лампи характеризує втрату енергії джерела коливань, включеного до ланцюга сітки. В даному випадку ця енергія переноситься активною складовою наведеного струму від джерела коливань до електричного поля і передається електронам, які збільшують свою кінетичну енергію і витрачають на нагрівання анода. Якщо ж 1 лампа працює на нижчих частотах і часом прольоту можна знехтувати, то при напрузі сітки струми матимуть таку ж прямокутну форму і тривалість, як і напруга, і вони не будуть зсунуті за часом відносно один одного. Оскільки ці струми рівні та протилежні за напрямом, то сумарний сітковий струм дорівнює нулю. Отже, жодної витрати енергії від джерела коливань у разі немає.

При синусоїдальній змінній напрузі всі процеси відбуваються складніше, але на НВЧ обов'язково виникне активний наведений струм у ланцюзі сітки, створення якого витрачається енергія джерела коливань. Ця енергія зрештою губиться на додатковий нагрівання анода і катода конвекційним струмом. Дійсно, позитивна напівхвиля сіткової напруги, прискорюючи електрони, що летять від катода, дає їм додаткову енергію, а під час негативного напівперіоду сітки відштовхує електрони, що рухаються до анода, і вони також отримують додаткову енергію. В результаті електрони бомбардують із більшою силою анод, який додатково нагрівається. Крім того, електрони, які не пролетіли крізь сітку, а повернули назад на катод, також відштовхуються сіткою під час негативного напівперіоду і отримують ще додаткову енергію. Ці електрони бомбардують додатковий катод та викликають його додаткове нагрівання. Таким чином, джерело коливань протягом усього періоду віддає енергію електронам, а вони витрачають її на бомбардування анода та катода.

Втрати енергії в лампах, що працюють на НВЧ, відбуваються не тільки через інерцію електронів, а й з інших причин.

Внаслідок поверхневого ефекту збільшується активний опір електродів та їх висновків. По поверхні металевих провідників проходять значні струми, які створюють марне нагрівання.

На НВЧ збільшуються втрати у всіх твердих діелектриках, що під впливом змінного електричного поля.

49. ПРОЛІТНИЙ КЛІСТРОН

Для сантиметрових хвиль успішно застосовуються клістрони, робота яких ґрунтується на зміні швидкості електронного потоку.

У цих приладах значний час польоту електронів не шкідливий, а необхідний для нормальної роботи приладу. Клістрони бувають прогонові (двох-резонаторні та багаторезонаторні), придатні для генерації та посилення коливань, та відбивні (однорезонаторні), що працюють тільки як генератори.

Електронний потік від катода до анода проходить через дві пари сіток, що є частиною стінок двох об'ємних резонаторів. Перший резонатор є вхідним контуром. До нього за допомогою коаксіальної лінії і витка зв'язку підводяться коливання з частотою, що посилюються. Його сітки утворюють модулятор, де відбувається модуляція швидкості електронів.

Другий резонатор служить вихідним контуром посилення коливань. Їхня енергія відбирається за допомогою витка зв'язку та коаксіальної лінії. На обидва резонатори і на анод подано позитивну напругу, що створює між сіткою і катодом поле, що прискорює, під впливом якого електрони влітають в модулятор зі значною початковою швидкістю.

Якщо перший резонатор вводяться коливання, то між сітками існує змінне електричне поле, яке діє електронний потік і змінює (модулює) його швидкість. У той напівперіод, коли на другій сітці є позитивний, а на першій сітці негативний потенціал, поле між сітками буде прискорюючим і електрони, що проходять модулятор, отримують додаткову швидкість.

Електрони, що мають великі швидкості, наздоганяють електрони, що рухаються з меншими швидкостями, внаслідок чого електронний потік розбивається на більш щільні групи електронів - електронні згустки. Тобто завдяки модуляції електронного потоку за швидкістю у просторі групування виходить модуляція цього потоку за щільністю.

Групуються лише електрони, що пролітають через модулятор під час половини періоду. Хороше групування можливе тільки у випадку, якщо зміна швидкості електронів під впливом змінного поля, що модулює, незначно в порівнянні зі швидкістю, яку вони отримали від постійної прискорюючої напруги. Тому змінна напруга між сітками резонатора має бути значно меншою, ніж постійна напруга. Групування електронів у потік повторюється протягом однієї половини періоду.

Після крапки найбільшого згущення електронного потоку електрони знову розходяться.

Електронні згустки пролітають через другий резонатор тоді, коли електричне поле в ньому гальмує. Електрони, що пролетіли другий резонатор, потрапляють на анод і нагрівають його. Частина електронів попадає і на сітки резонаторів.

Якби електронний потік був модульованим, він міг би підтримувати коливання у другому резонаторі.

Дворезонаторні клістрони застосовують як підсилювачі в передавачах НВЧ, причому їхня корисна потужність в режимі безперервної роботи може бути до десятків кіловат, а імпульсний режим - до десятків мегават. При скороченні довжини хвилі потужність передавачів зменшується.

Для посилення слабких сигналів у приймачах клістрони малопридатні, оскільки створюють великі власні шуми.

50. Лампи біжить і зворотній хвилі

Недоліки, властиві клістрону, усуваються в лампі хвилі, що біжить (ЛБВ). Посилення та ККД в ЛБВ можуть бути значно вищими, ніж у клістроні. Це пояснюється тим, що електронний потік у ЛБВ взаємодіє зі змінним електричним полем на великій ділянці свого шляху та віддає значну частину своєї енергії на створення посилених коливань. Електронний потік у ЛБВ набагато слабший, ніж у клістроні, і тому рівень шумів порівняно невеликий. Смуга частот може бути дуже великою, тому що в ЛБВ немає жодних коливальних систем. Ширина смуги частот обмежується не самої лампою, а різними додатковими пристроями, що служать зв'язку лампи із зовнішніми ланцюгами й узгодження окремих елементів цих додаткових пристроїв між собою. Лампи хвилі, що біжить, для частот близько тисяч мегагерц мають смугу частот пропусканих коливань порядку сотень мегагерц, що цілком достатньо для радіолокації і всіх видів сучасного радіозв'язку. ЛБВ влаштовані так. У лівій частині подовженого балона вміщено електронний прожектор, що має підігрівний катод, фокусуючий електрод та анод. Електронний промінь, створений електронним прожектором, проходить далі всередині дротяної спіралі, яка відіграє роль внутрішнього дроту коаксіальної лінії. Зовнішнім проводом цієї лінії є металева трубка. Спіраль укріплена на спеціальних ізоляторах. Фокусуюча котушка, що живиться постійним струмом, служить для стиснення електронного променя по всій його довжині. Замість котушки для фокусування можуть бути застосовані постійні магніти. Так як магнітні фокусуючі системи дуже громіздкі, то розроблені електростатичні способи фокусування електронного променя ЛБВ, тобто фокусування за допомогою електричного поля.

У ЛБВ для більш коротких сантиметрових хвиль спіраль замінюють системами інших типів, що уповільнюють, так як важко виготовити спіраль дуже малих розмірів. Ці уповільнювальні системи є хвилеводами складної зигзагоподібної конструкції або мають стінки у вигляді гребінок. Уздовж таких хвилеводів електронний промінь пропускається по прямій лінії, а електромагнітна хвиля поширюється зі зниженою швидкістю. Подібні уповільнювальні системи застосовують також у потужних ЛБВ, тому що спіраль не може витримати розсіювання в ній великої потужності.

Принципи роботи ЛБВ послужили основою створення лампи зворотної хвилі (ЛОВ), яку іноді називають карцинотроном. Ця лампа, на відміну від ЛБВ, призначена тільки для генерування сантиметрових і більш коротких хвиль. У ЛВВ застосовують також хвилеводні уповільнювальні системи, як і в ЛБВ, але хвиля та електронний промінь рухаються назустріч один одному. Початкові слабкі коливання ЛОВ виходять від флуктуацій електронного потоку, потім вони посилюються і виникає генерація. Шляхом зміни постійної напруги, що створює електронний промінь, можна в дуже широкому діапазоні частот здійснювати електронне налаштування ЛВД. Створено малопотужні ЛОВ на частоти в десятки тисяч мегагерц, що мають корисну потужність коливань, що генеруються, до десятків часток вата при ККД порядку одиниць відсотків. Для частот до 10 000 МГц розроблені ЛОВ з корисною потужністю в десятки кіловат при безперервному режимі роботи і сотні кіловат при імпульсному режимі.

Генераторні ЛВВ малої та середньої потужності з прямолінійним електронним променем називають карцинотронами типу 0. Для великих потужностей застосовують ЛВВ, звані карцинотронами типу М, в яких електронний промінь під дією магнітного поля рухається по колу. Уповільнююча система у цих лампах розташовується по колу, а поперечне магнітне поле створюється постійним магнітом так само, як і в магнетроні.

51. ЗАГАЛЬНІ ПОНЯТТЯ ПРО ЕЛЕКТРИЧНІСТЬ ТА ЕЛЕКТРОННУ ТЕОРІЮ

Довгий час існувала думка про те, що атоми є первинними, нерозкладними і незмінними частинами всіх тіл природи, звідки і походить назва "атом", що по-грецьки означає "неподільний". В кінці IX ст., Пропускаючи електричний струм високої напруги через трубку з сильно розрідженим газом, фізики помітили зелене свічення скла трубки, викликане дією невидимих ​​променів. Світиться пляма розташовувалося проти електрода, з'єднаного з негативним полюсом джерела струму (катода). Тому промені отримали назву катодних. Під дією магнітного поля пляма, що світиться, зміщувалося вбік. Катодні промені поводилися так само, як провідник зі струмом у магнітному полі. Зміщення зеленої плями відбувалося також під впливом електричного поля, причому позитивно заряджене тіло притягувало промені, негативно заряджене тіло відштовхувало їх. Це навело на думку, що самі катодні промені є потіком негативних частинок - електронів.

Різниця між діелектриками та провідниками класична фізика бачить у тому, що у діелектриці всі електрони міцно утримуються біля ядра атома. У провідниках навпаки, зв'язок між електронами і ядром атома сильна і є велика кількість вільних електронів, упорядкований рух яких викликає електричний струм. Класична фізика допускає будь-які значення енергії атома, а зміна енергії атома вважає, що відбувається безперервно як завгодно малими порціями. Однак вивчення оптичних спектрів елементів та явищ, пов'язаних із взаємодією атомів з електронами, вказує на безперервний характер внутрішньої енергії атомів. Атомна та молекулярна фізика доводять, що енергія атома не може бути будь-якою і набуває лише цілком певних значень, характерних для кожного атома. Можливі значення внутрішньої енергії атома називаються енергетичними чи квантовими рівнями. Рівні енергії, які не може мати атом, називаються забороненими рівнями.

Є цілий ряд елементарних частинок: протони та нейтрони, позитивний та негативний мезони, електрони, позитрони, нейтрино та антипротони.

Електричні явища були відомі людям дуже давно (натирання бурштину сукном). Тіла, які здатні проводити електричні заряди, називаються електричними провідниками. Тіла, які дуже погано проводять електрику, називаються непровідниками, ізоляторами або діелектриками.

Було помічено, що наелектризовані тіла притягуються одне до одного або відштовхуються одне від одного. В результаті електризації різних тіл виходять два роди електрики. Умовно один вид електрики назвали позитивним, а інший – негативним. Отже, тіла, заряджені однойменною електрикою, взаємно відштовхуються, заряджені різноіменною електрикою – притягуються.

Електрикою називається властивість матерії (особлива форма руху матерії), що має подвійну природу і що виявляється в елементарних частинках речовини (позитивна електрика - у протонах, позитронах та мезонах, негативна - в електронах, антипротонах чи мезонах).

52. ЗАКОН КУЛОНУ. ЕЛЕКТРИЧНЕ ПОЛЕ

Два наелектризованих тіла діють одне на інше з силою, пропорційною величиною заряду або кількістю електрики на цих тілах і обернено пропорційно квадрату відстані між тілами, якщо власні розміри цих тіл малі порівняно з відстанню між ними. Ця залежність сили взаємодії від величини зарядів та відстані між ними була встановлена ​​досвідченим шляхом фізиком Кулон. Пізніші дослідження показали, що сила взаємодії між зарядами залежить також від середовища, в якому знаходяться заряди.

Досліди привели Кулона до встановлення наступного закону: два фізичні точкові заряди q1 і q2, перебуваючи в однорідному середовищі з відносною електричною проникністю е на відстані r, діє один на інший з силою F, пропорційною добутку цих зарядів і обернено пропорційною квадрату відстані між ними. фізично точковими заряди називаються у разі, якщо власні розміри їх малі проти відстанню з-поміж них. формула Кулона має вигляд: F =(q1q2)/(4??·?0r 2), де ?0=8,85 · 10-12Ф/м - електрична проникність порожнечі. ? - Відносна електрична проникність. Вона показує, скільки разів за інших рівних умов сила взаємодії двох зарядів у якомусь середовищі менше, ніж у порожнечі. Відносна електрична проникність – безрозмірна величина.

Оцінка інтенсивності електричного поля провадиться за механічними силами, з якими поле діє на заряджені тіла. Так як за законом Кулона сила взаємодії між зарядами в даному середовищі залежить від величини зарядів і відстані між ними, то за кількісну міру поля набувають механічної сили, з якою поле в даний момент простору діє на одиничний позитивний заряд, поміщений у цю точку. Ця величина називається напруженістю електричного поля та позначається Е. Відповідно до визначення Е = F/q. Прирівнюючи одиниці один із зарядів у формулі Кулона, отримаємо вираз для напруженості поля Е в точці, віддаленій на відстані r від фізичного точкового заряду: Е = q/(4???0r2), а для порожнечі, у якої відносна електрична проникність дорівнює одиниці: Е = q/(4??0r 2).

Одиниця виміру напруженості - В/м.

Електричне поле, напруженість якого в різних точках простору однакова за величиною та за напрямом, називається однорідним полем.

При вивченні різних фізичних явищ доводиться зустрічатися зі скалярними та векторними величинами.

Позитивний електричний заряд, внесений у поле позитивно зарядженого тіла кулястої форми, віддаленого від інших зарядів, відштовхуватиметься по прямій лінії, що є продовженням радіусу зарядженого тіла. Поміщаючи електричний заряд у різні точки поля зарядженої кулі та відзначаючи траєкторії руху заряду під дією його електричних сил, отримуємо ряд радикальних прямих, що розходяться на всі боки. Ці уявні лінії, якими прагне рухатися позитивний, позбавлений інерції заряд, внесений у електричне полі, називаються електричними силовими лініями. В електричному полі можна провести будь-яку кількість силових ліній. З допомогою графічних ліній можна графічно зобразити як напрям, а й напруженості електричного поля у цій точці.

Кількість електрики, що припадає на одиницю поверхні зарядженого тіла, називається поверхневою густиною електричного заряду. Вона залежить кількості електрики на тілі, і навіть від форми поверхні провідника.

53. ПРОВІДНИК І ДІЕЛЕКТРИК В ЕЛЕКТРИЧНОМУ ПОЛІ

Якщо незаряджений ізольований провідник внести в електричне поле, то внаслідок дії електричних сил поля у провіднику відбувається розподіл електричних зарядів. Вільні електрони провідника почнуть рухатися в напрямку, протилежному напрямку електричного поля. В результаті на кінці провідника, зверненому до зарядженої кулі, виявиться надлишок електронів, що зумовлює негативний заряд цього кінця, а на іншому кінці провідника виявиться нестача електронів, що зумовлює позитивний заряд цієї частини провідника.

Поділ зарядів на провіднику під впливом зарядженого тіла називається електризацією через вплив, або електростатичною індукцією, а заряди на провіднику – індукованими зарядами. У міру наближення провідника до зарядженого шару кількість індукованих зарядів на провіднику збільшується. Електричне поле зарядженої кулі змінюється, коли в ньому виявиться провідник. Електричні силові лінії кулі, що розходилися раніше рівномірно та радикально, тепер вигнути у бік провідника. Так як початками та кінцями електричних силових ліній є електричні заряди, що лежать на поверхні провідників, то, починаючи біля поверхні з позитивними зарядами, силова лінія закінчується у поверхні з негативними зарядами. Усередині провідника електричне поле не може існувати. В іншому випадку між окремими точками провідника існувала б різниця потенціалів, у провіднику відбувався б рух зарядів (струм провідності) і до тих пір, поки внаслідок перерозподілу зарядів потенціали всіх точок провідника не стали б рівними.

Цим користуються коди, які хочуть захистити провідник від впливу зовнішніх електричних полів. Для цього провідник оточують іншим провідником, виконаним у вигляді суцільної металевої поверхні або сітки дротяної з дрібними отворами. Індуковані заряди, що утворилися на провіднику внаслідок впливу на нього зарядженого поля, можна відокремити один від одного, якщо розламати провідник навпіл.

Діелектрик відрізняється від провідника відсутністю вільних електронів. Електрони атомів діелектрика міцно пов'язані із ядром атома.

Діелектрик, внесений в електричне поле, як і провідник, електризується через вплив. Однак між електризацією провідника та діелектрика є суттєва різниця. Якщо у провіднику під впливом сил електричного поля вільні електрони пересуваються по всьому об'єму провідника, то в діелектриці вільного переміщення електричних набоїв відбутися не може. Але в межах однієї молекули діелектрика виникає усунення позитивного заряду вздовж напрямку електричного поля та негативного заряду у зворотному напрямку. Внаслідок впливу зарядженого тіла на поверхні діелектрика виникнуть електричні заряди. Це явище називається поляризацією діелектрика. Розрізняють діелектрики двох класів. 1. Молекула в нейтральному стані має позитивний і негативний заряди, настільки близько розташовані один до одного, що їхня дія взаємно компенсується. Під впливом електричного поля позитивні та негативні заряди в межах молекули дещо зміщуються щодо одного, утворюючи диполь. 2. Молекули та без електричного поля утворюють диполі. Такі діелектрики називають полярними.

Необхідність правильного вибору величини напруженості електричного поля в діелектриці призвела до створення теорії електричної міцності, що має важливе значення для сучасної техніки високої напруги.

54. ГОЛОВНІ ЕЛЕКТРОІЗОЛЯЦІЙНІ МАТЕРІАЛИ

азбест - Мінерал, що має волокнисту будову. Довжина волокна - від десяти часток міліметра до кількох сантиметрів. З азбесту виготовляють пряжу, стрічку, тканини, папір, картон та ін. Цінною якістю є його висока нагрівальна стійкість. Нагрів до 300-400 ° не змінює властивостей азбесту. Завдяки низькій теплопровідності азбест застосовують як теплову ізоляцію при високих температурах. Азбест має гігроскопічність, яка зменшується при просоченні його смолами, бітумами тощо. Електроізоляційні властивості азбесту невисокі. Тому він не застосовується при високих напругах.

Каніфоль - тендітна смола світло-жовтого або коричневого кольору, що отримується шляхом обробки смоли хвойних дерев. Каніфоль розчиняється в нафтових оліях, рідких вуглеводнях, рослинних оліях, спирті, скипидарі. Температура розм'якшення каніфолі 50-70 °C. Використовують для приготування просочувальних та заливальних мас.

парафін - воскоподібна речовина, отримана з нафти. Добре очищений парафін – кристалічна речовина білого кольору. Застосовується для просочування дерева, паперу, волокнистих речовин, для заливання високочастотних котушок та трансформаторів, для приготування ізолюючих складів.

Слюда - Мінерал кристалічної будови. Завдяки своїй будові легко розщеплюється на окремі листочки. Має високу електричну міцність, високу нагрівостійкість, вологостійкість, механічну міцність і гнучкість. Застосовують два види слюди: мусковіт і флогопіт, що розрізняються за складом, кольором та властивостями. Найкращою слюдою є мусковіт. З листочків слюди штампують прямокутні платівки для конденсаторів, шайби для електричних приладів тощо.

Текстоліт - пластмаса, що являє собою багатошарову тканину, просочену резольною смолою і спресовану під великим тиском при 150". Позитивні якості: мала крихкість, високі механічні якості, стійкість до стирання. Негативні якості: погані електричні властивості, мала вологостійкість.

Фібра виготовляється із пористого паперу, обробленого розчином хлористого цинку. Добре піддається механічній обробці. Великим недоліком є ​​її гігроскопічність. фібра роз'їдається кислотами та лугами. З неї виготовляють дрібні деталі, прокладки, каркаси котушок. Тонка фібра називається летероїдом.

Церезін одержують шляхом очищення воскоподібного мінералу – озокериту або петролатуму. Має підвищену температуру плавлення (65-80 °) та підвищену стійкість проти окислення. Застосовують для просочення паперових конденсаторів, приготування ізолюючих складів та ін.

шелак - природна смола тропічних рослин, температура його плавлення 100-200 °. Має вигляд жовтих або коричневих лусочок, легко розчиняється у спирті. Застосовується для приготування заливальних мас, ізоляційних та клеючих лаків, просочення ізоляційних стрічок.

шифер - сланець, має шарувату будову. Негігроскопічний, легко піддається механічній обробці. Йде виготовлення панелей, щитків для рубильників тощо.

Ебоніт (Тверда гума) виходить з каучуку шляхом добавки до нього 20-50% сірки. Випускається у вигляді листів (дощок), палиць і трубок, що добре піддається механічній обробці. Застосовується в техніці слабких струмів, ебонітові трубки протягуються дроти при проході крізь стіни і при прихованій проводці.

55. ПОНЯТТЯ ПРО ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ. ЗАКОН ОМА

Рух електронів по провіднику називається електричним струмом. У електротехніці умовно прийнято вважати напрям струму протилежним напряму руху електронів у провіднику. Інакше кажучи, напрям струму прийнято вважати таким, що збігається з напрямом руху позитивних зарядів. Електрони не проходять у своєму русі всю довжину провідника. Навпаки, вони пробігають дуже невеликі відстані до зіткнення коїться з іншими електронами, атомами чи молекулами. Ця відстань називається довжиною вільного пробігу електронів. Електричний струм безпосередньо спостерігати не можна. Про проходження струму можна лише судити з тих дій, які він здійснює. Ознаки, якими легко судити про наявність струму:

1) струм, проходячи через розчини солей, лугів, кислот, а також через розплавлені солі, розкладає їх на складові;

2) провідник, яким проходить електричний струм, нагрівається;

3) електричний струм, проходячи провідником, створює навколо нього магнітне поле.

Найпростіша електрична установка складається з джерела (гальванічного елемента, акумулятора, генератора тощо), споживачів або приймачів електричної енергії (ламп розжарювання, електронагрівальних приладів, електродвигунів тощо) та з'єднувальних проводів, що з'єднують затискачі джерела напруги із затискачами споживача. .

Струм, що не змінюється за величиною і за напрямом, називається постійним струмом. Постійний електричний струм може протікати лише по замкнутому електричному ланцюзі. Розрив ланцюга будь-де викликає припинення електричного струму. Постійний струм дають гальванічні елементи, акумулятори, генератори постійного струму, якщо умови роботи електричного кола не змінюються.

Через поперечний переріз провідника проходить заряд певний час. Сила струму, що пройшов через поперечний переріз провідника протягом часу, дорівнює I = q/t. Відношення величини струму I до площі поперечного перерізу провідника називається щільністю струму і позначається ?. ?= I/S; щільність струму вимірюється А/м2.

При замиканні електричного ланцюга, на затискачах якого є різниця потенціалів, виникає електричний струм. Вільні електрони під впливом електричних сил поля переміщуються вздовж провідника. У своєму русі електрони натрапляють на атоми провідника і віддають їм запас своєї кінетичної енергії. Швидкість руху електронів постійно змінюється: при зіткненні електронів з атомами, молекулами та іншими електронами вона зменшується, потім під дією електричного поля збільшується і знову зменшується при новому зіткненні. В результаті цього в провіднику встановлюється рівномірний рух потоку електронів зі швидкістю кількох частин сантиметра в секунду. Отже, електрони, проходячи провідником, завжди зустрічають з його боку опір своєму руху. При проходженні електричного струму через останній провідник нагрівається.

Електричним опором R провідника називається властивість тіла або середовища перетворювати електричну енергію на теплову при проходженні по ньому електричного струму. R =? l/S, де ?-питомий опір провідника, l-довжина провідника.

Струм на ділянці ланцюга прямо пропорційний напрузі на цій ділянці і обернено пропорційний опору тієї ж ділянки. Ця залежність відома за назвою закону Ома і виражається формулою: I = U/R. Струм проходить не тільки по зовнішній частині ланцюга, але і по внутрішньому. ЕРС (E) джерела йде на покриття внутрішніх та зовнішніх втрат напруги в ланцюзі. Закон Ома для всього ланцюга: I = E/(R+r), де R-опір зовнішньої частини ланцюга, r-опір внутрішньої частини ланцюга.

56. З'ЄДНАННЯ ПРОВІДНИКІВ МІЖ СОБОЮ. ПЕРШИЙ ЗАКОН КІРХГОФУ

Окремі провідники електричного ланцюга можуть бути з'єднані між собою послідовно, паралельно та змішано.

Послідовним з'єднанням провідників називається таке з'єднання, коли кінець першого провідника з'єднаний з початком другого, кінець другого провідника з'єднаний з початком третього і т. д. Загальний опір ланцюга, що складається з декількох послідовно з'єднаних провідників, дорівнює сумі опорів окремих провідників: R = R1 + R2 + R3 +. +R||. Струм на окремих ділянках послідовного ланцюга однаковий: I1 = I2 = I3 = I. Падіння напруги пропорційно опору цієї ділянки. Загальна напруга ланцюга дорівнює сумі падінь напруги на окремих ділянках ланцюга: = і1 + U2 + U3.

Паралельним з'єднанням провідників називається такий опір, коли початки всіх провідників з'єднані в одну точку, а кінці провідників - в іншу точку. Початок ланцюга приєднується одного полюсу джерела напруги, а кінець ланцюга - до іншого полюсу.

При паралельному з'єднанні провідників для проходження струму є кілька шляхів. Струм, протікаючи до точки розгалуження, розтікається далі по трьох опорах і дорівнює сумі струмів, що йдуть від цієї точки: I = I1 + I2 + I3.

Якщо струми, що приходять до точки розгалуження, вважати позитивними, а ті, що йдуть - негативними, то для точки розгалуження можна написати: Iк = 0 (k приймає значення від 1 до n), тобто алгебраїчна сума струмів для будь-якої вузлової точки ланцюга завжди одно нулю. Це співвідношення, що зв'язує струми у будь-якій точці розгалуження ланцюга, називається першим законом Кірхгофа. Зазвичай при розрахунку електричних ланцюгів напрями струмів у гілках, приєднаних до будь-якої точки розгалуження, невідомі. Тому для можливості самого запису рівняння першого закону Кірхгофа потрібно перед початком розрахунку ланцюга довільно вибрати так звані позитивні напрямки струмів у всіх її гілках та позначити їх стрілками на схемі.

Користуючись законом Ома, можна вивести формулу підрахунку загального опору при паралельному з'єднанні споживачів.

Загальний струм, що приходить до точки, дорівнює I = U/R. Струми у кожній із гілок мають значення: I1 = U1 /R1; I2 = U2 / R2; I3 = U3 / R3.

За першим законом Кірхгофа I = I1 + I2 + I3 або U / R = U / R1 + U / R2 + U / R3.

Виносячи U у правій частині рівності за дужки, отримаємо: U/R = U(1/R1+1/R2+1/R3).

Зменшуючи обидві частини рівності на U, отримаємо формулу підрахунку загальної провідності: 1 /R=1/R1+1/r2+ 1/R3.

Таким чином, при паралельному з'єднанні збільшується не опір, а провідність.

При підрахунку загального опору розгалуження воно виходить завжди менше, ніж щонайменше опір, що входить у розгалуження.

Якщо опори, включені паралельно, рівні між собою, то загальний опір R дорівнює опору однієї гілки R1, поділеному на число гілок п: R=R1/п.

Змішаним з'єднанням провідників називається таке з'єднання, де є і послідовне, і паралельне з'єднання окремих провідників.

57. ДРУГИЙ ЗАКОН КІРХГОФУ. МЕТОД НАкладення

При розрахунку електричних кіл часто доводиться зустрічатися з ланцюгами, які утворюють замкнуті контури. До складу таких контурів, крім опорів, можуть входити електродвигуни. Розглянемо ділянку складного електричного кола. Задано полярність всіх ЕРС.

Довільно вибираємо позитивні напрями струмів. Обходимо контур від точки А у довільному напрямку, наприклад, за годинниковою стрілкою. Розглянемо ділянку АБ. На цій ділянці відбувається падіння потенціалу (струм йде від точки з найвищим потенціалом до точки з нижчим потенціалом).

На ділянці АБ: А + E1 - I1R1 =?

На ділянці БВ: Б - E2 - I2R2 =?

На ділянці ВГ: В = I3R3 + E3 =?

На ділянці ГА: ?Г - I4R4 = ?А.

Складаючи почленно чотири наведені рівняння, отримаємо:

?А + E1-I1R1 + ?Б - E2 - I2R2 + ?В - I3R3 + E3 + ?Г- I4R4 - ?Б + ?В + ?Г + ?А або E1 - I1R1 - E2 - I2R2 - I3R3 + E3 - I4R4 = 0.

Перенісши твір IR у праву частину, отримаємо: Е1 - Е2 + Е3 = I1R1 + I2R2 + I3R3 + I4R4.

Цей вираз є другим закон Кірхгофа. Формула показує, що у кожному замкнутому контурі алгебраїчна сума електрорушійних сил дорівнює сумі алгебри падінь напруг.

Метод накладання застосовується до розрахунку електричних ланцюгів, мають кілька ЭРС. Сутність методу накладання полягає в тому, що струм в будь-якій частині ланцюга можна вважати що складається з ряду часткових струмів, викликаних кожною окремою ЕРС, причому інші ЕРС приймаються рівними нулю.

У задачах зустрічаються ланцюги, що мають лише дві вузлові точки. Між вузловими точками може бути включена довільна кількість гілок. Розрахунок таких ланцюгів значно спрощується, якщо користуватися методом вузлового напруги.

і = (Е1д1 + Е2д2 + Е3д3) / (Д1 + Д2 + Д3 + Д4).

У чисельнику формули вузлової напруги представлена ​​алгебраїчна сума творів ЕРС гілок. У знаменнику формули дана сума провідностей усіх гілок. Якщо ЕРС будь-якої гілки має напрямок, зворотний тому, що зазначено на схемі, вона входить у формулу для вузлового напруги зі знаком мінус.

Метод контурних струмів застосовується до розрахунку складних електричних ланцюгів, мають більше двох вузлових струмів. Сутність методу полягає у припущенні, що у кожному контурі проходить свій струм. Тоді на загальних ділянках, розташованих на кордоні двох сусідніх контурів, протікатиме струм, що дорівнює сумі алгебри струмів цих контурів.

58. ЕЛЕКТРОЛІЗ. ПЕРШИЙ І ДРУГИЙ ЗАКОНИ ФАРАДЕЯ

Струм, проходячи рідкими провідниками, розкладає їх на складові. Тому рідкі провідники називають електролітами. Розкладання електролітів під дією електричного струму називається електролізом. Електроліз проводять у гальванічних ваннах. Гальванічна ванна являє собою посудину, куди налита рідина - електроліт, що розкладається струмом.

У посудину з електролітом опускають дві пластини (наприклад, вугільні), які будуть електродами. Приєднаємо негативний полюс джерела постійного струму до одного електрода (катода), а позитивний полюс - до іншого електрода (анода) і замкнемо ланцюг. Явище електролізу супроводжуватиметься виділенням речовини на електродах. При електролізі водень та метали завжди виділяються на катоді. Звідси випливає, що походження струму рідкими провідниками пов'язане з рухом атомів речовини.

Нейтральна молекула речовини, потрапляючи в розчинник, розпадається (дисоціюється) на частини - іони, що несуть на собі рівні та протилежні електричні заряди. Це пояснюється тим, що сила взаємодії між зарядами, поміщеними в середу з електричною проникністю, зменшується в раз. Тому сили, що зв'язують молекулу речовини, що знаходиться в розчиннику з великою електричною проникністю, слабшають достатньо теплових соударів молекул, щоб вони почали ділитися на іони,т. е. дисоціювати.

Поряд з дисоціацією молекул у розчині відбувається зворотний процес – возз'єднання іонів у нейтральні молекули (молізація).

Кислоти дисоціюють на позитивно заряджені іони водню та негативно заряджені іони кислотного залишку. Луги дисоціюють на іони металу та іони водного залишку. Солі дисоціюють на іони металу та іони кислотного залишку.

Якщо прикласти до електродів постійну напругу, між електродами утворюється електричне поле. Позитивно заряджені іони рухатимуться до катоду, негативно заряджені іони - до анода. Досягаючи електродів, іони нейтралізуються.

Явище електролізу з кількісної та якісної сторони досліджено фарадеєм. Їм встановлено, що кількість речовини, що виділяється при електролізі на електродах, пропорційно струму та часу його проходження, або, інакше кажучи, кількості речовини, що протікала через електроліт. Це перший закон фарадея.

Один і той самий струм, проходячи однаковий час через різні електроліти, виділяє на електродах різну кількість речовини. Кількості речовини в міліграмах, що виділяється на електроді струмом 1А протягом 1с, називається електрохімічним еквівалентом і позначається б. Перший закон Фарадея виражається формулою: m=a/t.

Хімічним еквівалентом (m) речовини називається відношення атомної ваги (А) до валентності (n): m = А/n. Другий закон Фарадея показує, яких властивостей речовини залежить величина його електрохімічного еквівалента.

Електроліз знайшов широке застосування у техніці. 1. Покриття металів шаром іншого металу за допомогою електролізу (гальваностегія). 2. Отримання копій із предметів за допомогою електролізу (гальванопластика). 3. Рафінування (очищення) металів.

59. АКУМУЛЯТОРИ

Для живлення ланцюгів керування, приладів захисту, сигналізації, автоматики, аварійного освітлення, приводів і котушок швидкодіючих вимикачів, що тримають, допоміжних механізмів на електричних станціях і підстанціях повинен знаходитися таке джерело електричної енергії, робота якого не залежала б від стану основних агрегатів електростанції або підстанції. Це джерело енергії має забезпечити безперебійну і чітку роботу зазначених ланцюгів як із нормальної роботі установки, і при аварії. Таким джерелом енергії на електростанціях та підстанціях є акумуляторна батарея. Вчасно заряджена батарея, що має велику ємність, може живити струмоприймачі протягом усього часу аварії.

Акумулятори застосовуються також для освітлення автомобілів, залізничних вагонів, руху електрокар та підводних човнів, для живлення радіоустановок та різних приладів, у лабораторіях та для інших цілей.

Акумулятор є вторинним джерелом електричної напруги, оскільки він на відміну гальванічних елементів може віддавати енергію лише після попереднього заряду. Заряд акумулятора полягає в тому, що його підключають до джерела постійної напруги. Внаслідок процесу електролізу хімічний стан пластин акумулятора змінюється і між ними встановлюється певна різниця потенціалів.

Акумуляторна батарея комплектується з кількох свинцево-кислотних або лужних акумуляторів.

Свинцево-кислотний акумулятор складається з кількох позитивних та негативних пластин, опущених у посудину з електролітом. Електроліт служить розчин сірчаної кислоти в дистильованій воді. Пластини акумулятора бувають поверхневі та масові. Поверхневі пластини виготовляються із чистого свинцю. Для збільшення площі поверхні пластин роблять ребристими.

Масові пластини є свинцевою решіткою, в комірки якої вмазують окисли свинцю. Для запобігання випаданню маси з осередків платівку з обох боків покривають свинцевими листами з отворами. Зазвичай позитивну пластину акумулятора виготовляють поверхневою, а негативну масовою. Окремі позитивні пластини, так само як і негативні пластини, спаюють у два ізольованих один від одного блоку. Для того, щоб позитивні пластини могли працювати з двох сторін, їх беруть на одну більше, ніж негативних.

Лужні акумулятори бувають двох типів: кад-мієво-нікелеві та залізонікелеві.

Пластини лужних акумуляторів являють собою сталеві нікельовані рамки з комірками, які поміщають пакетики з тонкої нікельованої перфорованої сталі. У пакетики запресовується активна маса.

Посудиною лужних акумуляторів служить сталева зварена коробка, в кришці якої є три отвори: два для виведення затискачів і один для заливки електроліту та виходу газів. Переваги: ​​не використовується дефіцитний свинець; мають велику витривалість і механічну міцність; при тривалому вплив несуть малі втрати на саморозряд і псуються; виділяють меншу кількість шкідливих газів та випарів; мають меншу вагу. Недоліки: менша ЕРС; нижчий ККД; Вища вартість.

60. ЕЛЕКТРИЧНІ Лампи розжарювання

Лампа розжарювання була винайдена російським ученим О.М. Лодигіним і вперше демонструвалася ним ще 1873 р.

Принцип дії лампи розжарювання заснований на сильному нагріванні провідника (нитки розжарювання) при проходженні електричного струму. При цьому провідник починає випускати, окрім теплової, ще й світлову енергію. Щоб нитка розжарення не перегорала, її потрібно перемістити в скляну колбу, з якої викачано повітря. Так улаштовані так звані пустотні лампи. Спочатку як нитка розжарювання застосовувалася вугільна нитка, отримана прожарюванням рослинних волокон. Лампи з такою ниткою випромінювали слабке, жовте світло, споживаючи потужність. Вугільна нитка, розжарюючись до температури 1700о, поступово вигоряла, що призводило до порівняно швидкої загибелі лампи. Зараз лампи з вугільною ниткою вийшли з ладу.

Тепер у лампах розжарювання замість вугільної нитки використовують нитку, приготовлену з тугоплавких металів осмію або вольфраму. Вольфрамова нитка, розжарюючись у пустотних лампах до 2200о, випромінюючи яскравіше світло, споживає меншу потужність, ніж вугільна нитка.

Вигорання нитки розжарювання зменшується, якщо скляну колбу (балон) лампи наповнити газом, що не підтримує горіння, наприклад, азотом або аргоном. Такі лампи отримали назву газоповних. Температура нитки під час роботи такої лампи досягає 2800°.

Наша промисловість випускає освітлювальні лампи розжарювання на напругу 36, 110, 127 і 220 В. Для спеціальних цілей лампи виготовляють і інші напруги.

Лампи розжарювання мають дуже низький коефіцієнт корисної дії. Вони перетворюється на світлову енергію лише близько 4-5% всієї споживаної лампою електричної енергії; решта енергія перетворюється на тепло.

В даний час набули широкого поширення газосвітні лампи. Вони використано властивість розріджених газів світитися під час проходження крізь них електричного струму. Світло, що випромінюється газосвітлою лампою, залежить від природи газу. Неон дає червоно-жовтогарячий, аргон - синьо-фіолетовий, гелій - жовтувато-рожеве світло. Живлення газосвітніх ламп здійснюється змінним струмом високої напруги, що отримується за допомогою трансформаторів. Ці лампи знайшли собі застосування для влаштування вивісок, реклам, ілюмінації.

Наша промисловість також випускає лампи, в скляних трубках яких знаходяться розріджені ртутні пари. Пропусканням струму через них можна змусити пари слабо світитись.

Внутрішня поверхня трубки лампи покрита спеціальним складом - люмінофором, що світиться під дією свічення ртутних парів. Ці лампи отримали назву люмінесцентні лампи.

В даний час випускають три види люмінесцентних ламп: лампи денного світла, що застосовуються для освітлення місць, де потрібна відмінність кольорів, - поліграфічна, бавовняна промисловість тощо; лампи білого світла для освітлення виробничих, конторських та житлових приміщень; лампи тепло-білого світла для освітлення музеїв, театрів та картинних галерей. ККД люмінесцентних ламп у чотири рази більше, ніж звичайних ламп розжарювання.

61. ЕЛЕКТРОЗВАРЮВАННЯ

Електрозварювання буває двох видів:

1) дугова;

2) електрозварювання шляхом опору. Дугове електрозварювання винайдено російським інженером Н.М. Бенардосом 1882 р.

При дуговому електрозварюванні використовують тепло, що виділяється електричною дугою. При зварюванні за способом Бенардоса один полюс джерела напруги приєднують до вугільного стрижня, а інший - до деталей, які необхідно зварити. У полум'я електричної дуги вводиться тонкий металевий стрижень, що плавиться, і краплі розплавленого металу, стікаючи на деталі та застигаючи, утворюють зварювальний шов.

У 1891 р. російський інженер Н.Г. Слов'янов запропонував інший спосіб дугового електрозварювання, який і набув найбільшого поширення. Електрозварювання за способом Слов'янова полягає у наступному. Вугільний стрижень замінено металевим електродом. Плавиться сам електрод, і розплавлений метал, застигаючи, з'єднує деталі, що зварюються. Після використання електрода його замінюють новим.

Перш ніж зварювати деталь, її потрібно ретельно очистити від іржі, окалини, олії, бруду за допомогою зубила, напилка, шкірки.

Для створення стійкої дуги та отримання міцного шва металеві електроди обмазують спеціальними складами. Така обмазка під час плавлення електрода також плавиться і, заливаючи сильно нагріті поверхні деталей, що зварюються, не дає їм окислюватися.

Електрозварювання методом опору. Якщо скласти впритул два шматки металу і пропустити по них сильний електричний струм, то за рахунок виділення тепла в місці торкання шматків (через великий перехідний опір) останні прогріваються до високої температури і зварюються.

В даний час електрозварювання, як дугове, так і методом опору, міцно увійшло в промисловість і набуло дуже широкого поширення. Зварюють листову та кутову сталь, балки та рейки, щогли та труби, ферми та котли, судна і т. д. Зварюванням виконують нові та ремонтують старі деталі зі сталі, чавуну та кольорових металів.

Розроблено нові методи застосування електрозварювання: підводне електрозварювання; автоматичне зварювання; зварювання за допомогою змінного струму (апарат має особливу деталь - осцилятор, призначення якого полягає в тому, щоб виробляти змінний струм високої напруги та дуже високої частоти, що забезпечує стійке горіння дуги при зварюванні тонких та товстих металевих деталей).

При замиканні та розмиканні рубильником або вимикачем електричних ланцюгів, а також замиканні та розмиканні контактів приладів та апаратів електрична іскра, що виникає між контактами, і нерідко наступна за нею електрична дуга плавлять метал, і контакти обгорають або зварюються, порушуючи роботу установки. Це називається електричної ерозією. Іскра при своїй появі хіба що "гризе" метал. Для боротьби з іскрою іноді між контактами паралельно до іскрового проміжку включають конденсатор певної ємності.

Інженери Б.Р. Лазаренко та І.М. Лазаренко використовували властивість електричної іскри "гризти метал" у сконструйованій ними електроерозійній установці. Робота установки переважно полягає в наступному. До металевого стрижня підводиться один провід від джерела напруги. Інший провід приєднується до оброблюваної деталі, що знаходиться в маслі. Металевий стрижень змушують вібрувати. Електрична іскра, що виникає між стрижнем і деталлю, "гризе" деталь, проробляючи в ній отвір, однаковий з формою перерізу стрижня (шестигранний, квадратний, трикутний і т. д.).

62. ЕЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

Магнітним полем називається одна з двох сторін електромагнітного поля, що збуджується електричними зарядами частинок, що рухаються, і зміною електричного поля і характеризується силовим впливом на рухомі заряджені частинки, а отже, і на електричні струми.

Напрямок магнітних індукційних ліній змінюється із зміною напряму струму у провіднику. Магнітні індукційні лінії навколо провідника мають такі властивості:

1) магнітні індукційні лінії прямолінійного провідника мають форму концентричних кіл;

2) чим ближче до провідника, тим частіше розташовуються магнітні індукційні лінії;

3) магнітна індукція (інтенсивність поля) залежить від величини струму у провіднику;

4) напрямок магнітних індукційних ліній залежить від напрямку струму у провіднику. Напрямок магнітних індукційних ліній навколо провідника зі струмом можна визначити за "правилом буравчика". Якщо буравчик (штопор) з правим різьбленням рухатиметься поступово за напрямом струму, то напрямок обертання ручки співпадатиме з напрямком магнітних індукційних ліній навколо провідника.

Магнітне поле характеризується вектором магнітної індукції, який має певну величину та певний напрямок у просторі.

Лінія, що стосується кожної точки якої збігається з напрямком вектора магнітної індукції, називається лінією магнітної індукції, або магнітною індукційною лінією.

Твір магнітної індукції на величину майданчика, перпендикулярної напрямку поля (вектор магнітної індукції), називається потоком вектора магнітної індукції або просто магнітним потоком і позначається буквою Ф: Ф = BS. Одиниця виміру - вебер (Вб).

Соленоїдом називається провідник, звитий спіраллю, яким пропущений електричний струм. Для визначення полюсів соленоїда користуються "правилом буравчика", застосовуючи його наступним чином: якщо розташувати буравчик вздовж осі соленоїда і обертати його у напрямку струму у витках соленоїда, поступальний рух буравчика покаже напрямок магнітного поля.

Соленоїд, всередині якого знаходиться сталевий (залізний) сердечник, називається електромагніт. Магнітне поле у ​​електромагніту сильніше, ніж у соленоїда, оскільки шматок сталі, вкладений у соленоїд, намагнічується і результуюче магнітне поле посилюється. Полюси у електромагніта можна визначити, як і у соленоїда, за "правилом буравчика".

Магнітний потік соленоїда (електромагніту) збільшується зі збільшенням числа витків та струму в ньому. Намагнічуюча сила залежить від добутку струму на число витків.

Збільшити магнітний потік соленоїда можна такими шляхами:

1) вкласти в соленоїд сталевий сердечник, перетворивши його на електромагніт;

2) збільшити переріз сталевого осердя електромагніту (оскільки при даних струмі, напруженості магнітного поля, і, отже, магнітної індукції збільшення перерізу веде до зростання магнітного потоку);

3) зменшити повітряний зазор електромагніту (оскільки при зменшенні шляху магнітних ліній повітрям зменшується магнітний опір).

63. ЕЛЕКТРОМАГНІТНА ІНДУКЦІЯ

Явище ЕРС у контурі при перетині його магнітним полем називається електромагнітною індукцією і було відкрито англійським фізиком М. Фа-радеєм 1831 р.

Провідник, яким тече електричний струм, оточений магнітним полем. Якщо змінювати величину або напрям струму в провіднику або розмикати і замикати електричний ланцюг, що живить провідник струмом, то магнітне поле, що оточує провідник, буде змінюватися. Змінюючись, магнітне поле провідника перетинає цей самий провідник і наводить у ньому ЕРС. Це називається самоіндукцією. Сама індуктована ЕРС називається ЕРС самоіндукції.

Індуктована ЕРС виникає у таких випадках.

1. Коли провідник, що рухається, перетинає нерухоме магнітне поле або, навпаки, магнітне поле, що переміщається, перетинає нерухомий провідник; або коли провідник та магнітне поле, рухаючись у просторі, переміщуються щодо іншого.

2. Коли змінне магнітне поле одного провідника, діючи інший провідник, індуктує у ньому ЭРС.

3. Коли магнітне поле провідника, що змінюється, індуктує в ньому самому ЕРС (самоіндукція).

Для визначення індуктованої ЕРС у провіднику служить "правило правої руки": якщо подумки розташувати праву руку в магнітному полі вздовж провідника так, щоб магнітні лінії, що виходять із північного полюса, входили в долоню, а великий відігнутий палець збігався з напрямком руху провідника, то чотири витягнутих пальця показуватимуть напрямок індуктованої еДс у провіднику.

Величина індуктованої ЕРС у провіднику залежить:

1) від величини індукції магнітного поля, оскільки чим частіше розташовані магнітні індукційні лінії, тим більше їх перетне провідник за одиницю часу;

2) від швидкості руху провідника в магнітному полі, тому що при великій швидкості руху провідник може перетнути більше індукційних ліній в одиницю часу;

3) від робочої (що знаходиться в магнітному полі) довжини провідника, оскільки довгий провідник може більше перетнути індукційних ліній в одиницю часу;

4) від величини синуса кута між напрямком руху провідника та напрямом магнітного поля.

У 1834 р. російський академік Е.Х. Ленц дав універсальне правило визначення напрями індуктованої ЕРС в провіднику. Це правило, відоме як правило Ленца, формулюється так: напрямок індуктованої ЕРС завжди однаково, що викликаний нею струм і його магнітне поле мають такий напрямок, що прагнуть перешкоджати причині, що породжує цю індуковану ЕРС.

Струми, які індуктуються в металевих тілах при перетині їх магнітними лініями, називаються вихровими струмами, або струмами Фуко.

Для зменшення втрат на вихрові струми якорі генераторів, електричних двигунів та сердечники трансформаторів збирають з окремих тонких (0,35-0,5 мм) штампованих листів м'якої сталі, розташованих у напрямку ліній магнітного потоку та ізольованих один від одного лаком або тонким папером. Це робиться для того, щоб внаслідок малого поперечного перерізу кожного сталевого листка зменшити величину магнітного потоку, що проходить через нього, а отже, зменшити индуктируемые в ньому ЕРС і струм.

Вихрові струми бувають корисними. Ці струми використовують для гарту сталевих виробів струмами високої частоти в роботі індукційних електровимірювальних приладів, лічильників та реле змінного струму.

64. ОТРИМАННЯ ЗМІННОГО СТРУМУ

Нехай є однорідне магнітне поле, утворене між полюсами електромагніту. Усередині поля під дією сторонньої сили обертається по колу у бік руху годинникової стрілки прямолінійний металевий провідник. Перетин провідників магнітних ліній призведе до появи у провіднику індукованої ЕРС. Величина цієї ЕРС залежить від величини магнітної індукції, активної довжини провідника, швидкості перетину провідником магнітних ліній та синуса кута між напрямком руху провідника та напрямом магнітного поля. ?= Bl?sin?.

Розкладемо окружну швидкість на дві складові - нормальну та тангенційну по відношенню до напрямку магнітної індукції. Нормальна складова швидкості обумовлює індукцію, що наводиться ЕРС, і дорівнює:

?n = ?sin?.Тангенціальна складова швидкості не бере участі у створенні індуктованої ЕРС і дорівнює: ?t = ?cos?.

Під час руху провідник займатиме різні положення. За один повний оборот провідника ЕРС у ньому спочатку збільшується від нуля до максимального значення, потім зменшується до нуля і, змінивши свій напрямок, знову збільшується до максимального значення і зменшується до нуля. При подальшому русі провідника зміни ЕРС повторюватимуться.

У зовнішньому ланцюгу протікатиме струм, що змінюється за величиною і напрямом. Такий струм називається змінним на відміну від постійного, який дають гальванічні елементи та акумулятори.

Змінна ЕРС та змінний струм періодично змінюють свої напрямки та величину. Значення змінної величини (струму, напруги та ЕРС) в даний момент часу називається миттєвим значенням. Найбільше з миттєвих значень змінної величини називається її максимальним або амплітудним значенням і позначається Im, Um.

Проміжок часу, після якого зміни змінної величини повторюються, називається періодом Т (вимірюється в секундах). Число періодів в одиницю часу називається частотою змінного струму і позначається v (вимірюється у герцах). У техніці застосовують струми різної частоти. Стандартна промислова частота у Росії -50 Гц.

ЕРС у провіднику індуктується згідно із законом синуса. Така ЕРС називається синусоїдальної.

Змінний синусоїдальний струм протягом періоду має різні миттєві значення. Дії струму не визначаються ні амплітудним, ні миттєвим значенням. Для оцінки дії, що виробляється змінним струмом, можна порівняти його з тепловим ефектом постійного струму. Потужність постійного струму, що проходить через опір, буде = I2R.

Залежність між діючими та амплітудними значеннями сили струму та напруги змінного струму має вигляд:

Im = I?2, Um = U?2.

Чинне значення змінного струму дорівнює такому постійному струму, який, проходячи через той самий опір, що і змінний струм, за той же час виділяє таку ж кількість енергії.

65. Ланцюги ЗМІННОГО СТРУМУ

Розглянемо ланцюг, що складається з опору R. Вплив індуктивності та ємності для простоти нехтуємо. До затискачів ланцюга додається синусоїдальна напруга u = Umsin?t. За законом Ома миттєве значення струму дорівнюватиме: i = u/r =(Um/r) sin?t = Im sin?t.

Формула потужності для ланцюга змінного струму з активним опором така сама, як формула потужності для ланцюга постійного струму: P=I2R.Активним опором мають усі провідники. У ланцюзі змінного струму практично тільки одним активним опором мають нитки ламп розжарювання, спіралі електронагрівальних приладів та реостатів, дугові лампи та прямолінійні провідники великої довжини.

Розглянемо ланцюг змінного струму, що містить котушку з індуктивністю L без сталевого осердя. Для простоти вважатимемо, що активний опір котушки дуже мало і їх можна знехтувати.

З найбільшою швидкістю змінюється струм біля своїх нульових значень. Близько максимальних значень швидкість зміни струму падає, а при максимальному значенні струму приріст дорівнює нулю. Таким чином, змінний струм змінюється не тільки за величиною та напрямом, але також і за швидкістю своєї зміни. Змінний струм, проходячи витками котушки, створює змінне магнітне поле. Магнітні лінії цього поля, перетинаючи витки своєї котушки, індуктують в них ЕРС самоіндукції. Оскільки індуктивність котушки в нашому випадку залишається незмінною, ЕРС самоіндукції залежатиме лише від швидкості зміни струму. Найбільша швидкість зміни струму має місце біля нульових значень струму. Отже, найбільше значення ЕРС самоіндукції має у ті моменти.

У початковий час струм струм різко і швидко збільшується від нуля, а тому має негативне максимальне значення. Оскільки струм збільшується, то ЕРС самоіндукції за правилом Ленца має перешкоджати зміні струму. Тому ЕРС самоіндукції у разі зростання струму матиме напрямок, зворотний струму. Швидкість зміни струму з наближенням його до максимуму зменшується. Тому ЕРС самоіндукції також зменшується, поки, нарешті, при максимумі струму, коли зміни його дорівнюватимуть нулю, вона не стане рівною нулю.

Змінний струм, досягнувши максимуму, починає зменшуватися. За правилом Ленца ЕРС самоіндукції заважатиме струму спадати і, спрямована вже у бік перебігу струму, його підтримуватиме.

При подальшій зміні змінний струм швидко зменшується до нуля. Різке зменшення струму в котушці спричинить також швидке зменшення магнітного поля і в результаті перетину магнітними лініями витків котушки в них індукуватиметься найбільша ЕРС самоіндукції.

Так як ЕРС самоіндукції в ланцюгах змінного струму безперервно протидіє змін струму, те, щоб дати можливість струму протікати по витках котушки, напруга мережі має врівноважувати ЕРС самоіндукції. Тобто напруга мережі в кожний момент часу повинна бути рівною і протилежною ЕРС самоіндукції.

Розмір XL = ?L називається індуктивним опором, яка є своєрідною перешкодою, яка надає ланцюг змінам струму в ній.

Розмір XC = 1/(?C) називається ємнісним опором, яке, як і індуктивний опір, залежить від частоти змінного струму.

66. КОЛИВАЛЬНИЙ КОНТУР

Розглянемо випадок отримання змінного струму у вигляді розряду конденсатора на котушку.

Заряджений конденсатор має запас електричної енергії. При замиканні на котушку він почне розряджатися і запас електричної енергії в ньому зменшуватиметься. Струм розряду конденсатора, проходячи по витках котушки, створює магнітне поле. Отже, котушка почне запасати магнітну енергію. Коли конденсатор повністю розрядиться, його електрична енергія дорівнюватиме нулю. У цей момент котушка матиме максимальний запас магнітної енергії. Тепер сама котушка стає генератором електричного струму і почне перезаряджати конденсатор. ЕРС самоіндукції, що виникає в котушці під час наростання магнітного поля, перешкоджала наростанню струму. Тепер, коли магнітне поле котушки зменшуватиметься, ЕРС самоіндукції прагне підтримувати струм у колишньому напрямку. У момент, коли магнітна енергія котушки стане рівною нулю, обкладки конденсатора виявляться зарядженими протилежно тому, як вони були заряджені спочатку, і якщо опір ланцюга дорівнює нулю, конденсатор отримає початковий запас електричної енергії. Потім конденсатор отримає початковий запас електричної енергії. Потім конденсатор знову почне розряджатися, створюючи в ланцюзі струм зворотного напрямку, і процес повторюватиметься.

Поперемінні перетворення електричної енергії на магнітну і обернено складають основу процесу електромагнітних коливань. Ланцюг, що складається з ємності та індуктивності, в якій відбувається процес електромагнітних коливань, називається коливальним контуром.

Періодичні коливання енергії, що відбуваються в коливальному контурі, могли б продовжуватися нескінченно довго у вигляді незагасаючих коливань, якби були відсутні втрати в коливальному контурі. Однак наявність активного опору призводить до того, що запас енергії контуру з кожним періодом зменшується за рахунок втрат на тепло в активному опорі, внаслідок чого загасають коливання.

Період електромагнітних коливань, які у коливальному контурі без опору, визначається формулою Томсона.

Змінити час періоду коливань контуру можна двома способами – зміною індуктивності котушки чи ємності конденсатора. Той та інший способи використовуються для цієї мети у радіотехніці.

Коливальний контур є необхідною приналежністю кожного радіо та радіопередавача.

Принцип радіопередачі ось у чому. В антені радіостанції, що передає, за допомогою лампових генераторів створюються електромагнітні коливання. Амплітуда коливань залежить від ряду факторів і в тому числі від величини струму, що протікає в ланцюзі мікрофона, який приймає звукові коливання, зумовлені мовою або музикою.

Зміни коливань високої частоти за допомогою звукових коливань називаються модуляцією.

Радіозв'язок вперше був здійснений видатним російським ученим А.С. Поповим (1859-1905).

67. ТРИФАЗНИЙ ЗМІННИЙ СТРУМ

Багатофазною системою називається сукупність змінних ЕРС однієї частоти і зрушених по фазі одна щодо іншої на будь-які кути.

Кожна ЕРС може діяти у своєму самостійному ланцюзі та не бути пов'язаною з іншими ЕРС. Така система називається незв'язаною.

Недоліком незв'язаної багатофазної системи є велика кількість проводів, що дорівнює 2m. Так, наприклад, для передачі енергії по трифазній системі потрібно шість проводів. Багатофазна система, у якої окремі фази електрично з'єднані одна з одною, називається пов'язаною багатофазною системою.

Багатофазний струм має важливі переваги:

1) при передачі однієї і тієї ж потужності багатофазним струмом потрібно менше переріз проводів, ніж при однофазному струмі;

2) за допомогою нерухомих котушок або обмоток він створює магнітне поле, що обертається, використовуване в роботі двигунів і різних приладів змінного струму.

З систем багатофазного струму найбільше застосування практично отримав трифазний змінний струм.

Виходить він в такий спосіб. Якщо в однорідному магнітному полі полюсів помістити три витки, розташувавши кожен з них по відношенню до іншого під кутом 120 °, і обертати витки з постійною кутовою швидкістю, то в витках індукуватимуться ЕРС, які також будуть зрушені по фазі 120 °.

На практиці для отримання трифазного струму на статорі генератора змінного струму роблять три обмотки, зрушені одна щодо іншої на 120 °.

Вони називаються фазними обмотками чи просто фазами генератора.

Незв'язана система трифазного струму практично не застосовується.

Фазні обмотки генераторів та споживачів трифазного струму з'єднуються за схемою зіркою або трикутником.

Якщо фазні обмотки генератора або споживача з'єднати так, щоб кінці обмоток були замкнуті в одну загальну точку, а початку обмоток підключені до лінійних дротів, така сполука називається зіркою. При з'єднанні зіркою лінійна напруга у V3 разів більша за фазну напругу. При нерівномірному навантаженні фазні напруги споживача різні за величиною, причому величина фазної напруги пропорційна опору фази. Усунення нульової точки споживача, що відбувається в результаті нерівномірного навантаження, призводить до небажаного явища в освітлювальних мережах. Чим більше буде число і потужність ламп, включених у фазі, тим менше буде їх опір, тим менше буде їх фазна напруга, тим слабше вони горітимуть.

Крім з'єднання зіркою, генератори або споживачі трифазного струму можуть вмикатися трикутником.

При рівномірному навантаженні, з'єднаному трикутником, лінійний струм V3 разів більше фазного струму.

У двигунах та інших споживачах трифазного струму здебільшого виводять усі шість кінців трьох обмоток, які за бажанням можна з'єднувати або зіркою, або трикутником. Зазвичай до трифазної машини кріпиться дошка з ізоляційного матеріалу (клемна дошка), на яку виводять усі шість кінців.

Потужність трифазної системи можна розрахувати за формулою: P = ?3 · IUcos?.

68. ТРАНСФОРМАТОРИ

У 1876 р П.І. Яблучків запропонував користуватися трансформатором для живлення свічок. Надалі конструкції трансформаторів розробляв інший російський винахідник, механік. І.Ф. Усагін, який запропонував застосовувати трансформатори для живлення як свічок Яблочкова, а й інших споживачів електричної енергії.

Трансформатор являє собою електричний апарат, заснований на явищі взаємоіндукції і призначений для перетворення змінного струму однієї напруги на змінний струм іншої напруги, але тієї ж частоти. Найпростіший трансформатор має сталевий сердечник і дві обмотки ізольовані як від сердечника, так і один від одного.

Обмотка трансформатора, що підключається до джерела напруги, називається первинною обмоткою, а та обмотка, до якої підключаються споживачі або лінії передач, що ведуть до споживачів, називається вторинною обмоткою.

Змінний струм, проходячи первинною обмоткою, створює змінний магнітний потік, який зчіплюється з витками вторинної обмотки і наводить в них ЕРС.

Так як магнітний потік змінний, то індуктована ЕРС у вторинній обмотці трансформатора також змінна і її частота дорівнює частоті струму в первинній обмотці.

Змінний магнітний потік, що проходить по сердечнику трансформатора, перетинає не тільки вторинну обмотку, а й первинну обмотку трансформатора. Тому в первинній обмотці також індуктуватимуться ЕРС.

Величини ЕРС, що індукуються в обмотках трансформатора, залежать від частоти змінного струму, числа витків кожної обмотки та величини магнітного потоку в осерді. При певній частоті та незмінному магнітному потоці величина ЕРС кожної обмотки залежить тільки від числа витків цієї обмотки. Цю залежність між величинами ЕРС і числами витків обмоток трансформатора можна виразити формулою: ?1/?2 = N1/N2, де ?1 і ?2 - ЕРС первинної та вторинної обмоток, N1 та N2 - числа витків первинної та вторинної обмоток.

Різниця між ЕРС і напругою така мала, що залежність між напругами і числами витків обох обмоток можна виразити формулою: U1 / U2 = N1 / N2. Різниця між ЕРС і напругою в первинній обмотці трансформатора стає особливо малою тоді, коли вторинна обмотка розімкнена і струм у ній дорівнює нулю (холоста робота), а в первинній обмотці протікає тільки невеликий струм, званий струмом холостого ходу. При цьому напруга на затискачах вторинної обмотки дорівнює ЕРС, що наводиться в ній.

Число, що показує, скільки разів напруга в первинній обмотці більше (або менше) напруги у вторинній обмотці, називається коефіцієнтом трансформації і позначається буквою k. k = U1 / U2? N1/N2.

Номінальна напруга обмоток вищої та нижчої напруги, зазначена на заводському щитку трансформатора, відноситься до режиму холостого ходу.

Трансформатори, які служать підвищення напруги, називають підвищують; коефіцієнт трансформації вони менше одиниці. Знижувальні трансформатори знижують напругу; коефіцієнт трансформації вони більше одиниці.

Режим, при якому вторинна обмотка трансформатора розімкнена, а на затискачі первинної обмотки подано змінну напругу, називається холостим ходом або холостою роботою трансформатора.

69. ПРИСТРІЙ І ТИПИ ТРАНСФОРМАТОРІВ

Сердечник (магнітопровід) трансформатора утворює замкнутий для магнітного потоку контур і виготовляється з листової електротехнічної (трансформаторної) сталі товщиною 0,5 та 0,35 мм. Електротехнічна сталь є сталь, до складу якої входить 4-4,8 % кремнію за вагою. Присутність кремнію покращує магнітні властивості сталі та збільшує її питомий опір вихровим струмам. Окремі листи сталі для ізоляції їх один від одного покривають шаром лаку, після чого стягують болтами, пропущеними в ізолюючих втулках. Такий пристрій застосовують для зменшення вихрових струмів, що індукуються сталі змінним магнітним потоком. Частини магнітопроводу, на які вдягається обмотка, називаються стрижнями. Стрижні з'єднуються верхнім та нижнім ярмом.

За конструкцією магнітопроводу розрізняють два типи трансформаторів: стрижневі та броньові. У трансформатора стрижневого типу обмотки охоплюють стрижні магнітопроводу; у трансформаторів броньового типу магнітопровід, навпаки, як "броня", охоплює обмотки. У разі несправності в обмотці броньового трансформатора її незручно оглядати та важко ремонтувати. Тому найбільшого поширення набули трансформатори стрижневого типу.

Обмотки трансформатора виконуються із ізольованої круглої або прямокутної міді. На стрижень магнітопроводу попередньо надягають ізолюючий (зазвичай картонний, просочений бакелітовим лаком) циліндр, на якому поміщають обмотку нижчої напруги. Розташування обмотки нижчої напруги ближче до стрижня пояснюється тим, що її простіше ізолювати від сталевого стрижня ніж обмотку вищої напруги.

На накладену обмотку нижчої напруги надягають інший ізолюючий циліндр, на який поміщають обмотку вищої напруги.

Такі трансформатори називають двообмоточними. Зустрічаються трансформатори, у яких на фазу припадає одна первинна та дві вторинні обмотки. Первинна обмотка є обмоткою вищої напруги. Вторинні обмотки в залежності від величини напруги на їх затисканнях називаються: одна – обмоткою середньої напруги та інша – обмоткою нижчої напруги. Такі трансформатори називають триобмотувальні.

Для трансформації трифазного струму можна скористатися однофазними трансформаторами. Якщо об'єднати сталь трьох сердечників в один загальний сердечник, ми отримаємо сердечник трифазного трансформатора. Витрати трансформаторної сталі на трифазний трансформатор значно менше, ніж пристрій трьох однофазних трансформаторів.

Якщо потужність, необхідна трансформації, більше потужності одного трансформатора, то цьому випадку кілька трансформаторів включається на паралельну роботу.

Для включення на паралельну роботу однофазних трансформаторів потрібно виконати такі умови.

1. Напруги первинних і вторинних обмоток паралельно включаються трансформаторів повинні дорівнювати. І тут коефіцієнти трансформації трансформаторів виявляться також рівними.

2. Рівність напруг короткого замикання.

3. Включення однаковими фазами з боку вищої та нижчої напруги.

Автотрансформатор є таким трансформатором, на сердечнику якого є тільки одна обмотка. До різних точок обмотки приєднані одночасно і первинна, і вторинна ланцюга. Магнітний потік автотрансформатора індукує електричну силу в обмотці. Ця електрорушійна сила майже дорівнює напругі, що підводиться.

70. АСИНХРОНІ ДВИГУНИ

Асинхронною машиною називається машина змінного струму, у якої швидкість обертання ротора менша за швидкість обертання магнітного поля статора і залежить від навантаження. Асинхронна машина, як і інші електричні машини, має властивість оборотності, тобто вона може працювати як в режимі двигуна, так і в режимі генератора.

Трифазний асинхронний двигун був винайдений російським інженером М.О. Доливо-Добровольським у 1890 р. і з тих пір, піддаючись удосконаленням, міцно зайняв своє місце в промисловості та набув масового поширення у всіх країнах світу.

Асинхронний двигун має дві основні частини. статор та ротор. Статор називається нерухома частина машини. З внутрішньої сторони статора зроблені пази, куди укладається трифазна обмотка, що живиться трифазним змінним струмом. Частина машини, що обертається, називається ротором, в пазах його також укладена обмотка. Статор та ротор збираються з окремих штампованих листів електротехнічної сталі товщиною 0,35 та 0,5 мм. Окремі листи стали ізолюються один від одного шаром лаку. Повітряний зазор між статором та ротором робиться можливо малим.

Залежно від конструкції ротора асинхронні двигуни бувають із короткозамкненим та з фазним роторами.

Асинхронні двигуни поділяються на безколекторні та колекторні. Найбільшого поширення набули безколекторні двигуни. Вони застосовуються там, де потрібна приблизно постійна швидкість обертання та не потрібне її регулювання. Безколекторні двигуни прості за пристроєм, безвідмовні в роботі і мають високий ККД.

Якщо підключити обробку статора до мережі трифазного змінного струму, то всередині статора виникає магнітне поле, що обертається. Магнітні лінії поля будуть перетинати обмотку нерухомого струму ротора та індукувати в ній ЕРС. Ротор при своєму обертанні не може наздогнати магнітне поле статора, що обертається. Якщо припустити, що ротор матиме таку швидкість обертання, як і магнітне поле статора, то струми в обмотці ротора зникнуть. Зі зникненням струмів в обмотці ротора припиниться взаємодія їх з полем статора і ротор обертатиметься повільніше поля статора, що обертається. Однак при цьому обмотка ротора знову почне перетинатися обертовим полем статора і на ротор знову буде впливати крутний момент. Отже, ротор при своєму обертанні завжди повинен відставати від швидкості обертання магнітного поля статора, тобто обертатися асинхронно (не в такт з магнітним полем), чому ці двигуни отримали назву асинхронних.

Асинхронний двигун із короткозамкненим ротором є найпоширенішим із електричних двигунів, що застосовуються в промисловості. Влаштування асинхронного двигуна наступне. На нерухомій частині двигуна - статорі розміщується трифазна обмотка, що живиться трифазним струмом. Початки трьох фаз цієї обмотки виводяться на загальний щиток, укріплений зовні корпусі двигуна. Так як в обмотках статора протікає змінний струм, то сталі статора проходитиме змінний магнітний потік. Для зменшення вихрових струмів, що виникають у статорі, його роблять із окремих штампованих листів легованої сталі товщиною 0,35 та 0,5 мм. Недоліки: труднощі регулювання швидкості обертання та великий пусковий струм. Тому разом із ними застосовують ще асинхронні двигуни з фазним ротором.

Пристрій статора такого двигуна і обмотка його не відрізняються від пристрою статора двигуна з короткозамкненим ротором. Відмінність між двома цими двигунами полягає у влаштуванні ротора. Електродвигун із фазним ротором має ротор, на якому, як і на статорі, вміщено три фазні обмотки, з'єднані між собою зіркою.

71. СИНХРОНІ ГЕНЕРАТОРИ

Синхронною машиною називається машина, швидкість обертання якої стала і визначається при заданій частоті змінного струму числом пар полюсів p: v = 60 · н / p. За принципом оборотності, відкритому Е.Х. Ленцем, синхронна машина може працювати як генератором, і двигуном.

В основі синхронних генераторів лежить явище електромагнітної індукції. Так як принципово байдуже, чи провідник, що рухається, перетинатиме нерухоме магнітне поле, або, навпаки, рухоме поле буде перетинати нерухомий провідник, то конструктивно синхронні генератори можуть бути виготовлені двох видів. У першому їх магнітні полюси можна помістити на статорі і живити їх обмотку постійним струмом, а провідники розташувати на роторі і знімати з них за допомогою кілець і щіток змінний струм.

Часто ту частину машини, яка створює магнітне поле, називають індуктором, а ту частину машини, де розташовується обмотка, в якій індукуються ЕРС, називають якорем. Отже, у першому типі генератора індуктор нерухомий, а якір обертається.

Статор синхронного генератора, як і інших машин змінного струму, складається з осердя, набраного з листів електротехнічної сталі, в пазах якого укладається обмотка змінного струму, та станини - чавунного або звареного з листової сталі кожуха. У штамповані на внутрішній поверхні сердечника пази укладається обмотка статора. Ізоляція обмотки виконується особливо ретельно, тому що машині доводиться працювати зазвичай при високих напругах. Як ізоляцію застосовують міканіт та міканітову стрічку.

Ротори синхронних машин по конструкції діляться на два типи:

1) явнополюсні (тобто з явно вираженими полюсами);

2) неявнополюсні (тобто з неявно вираженими полюсами).

Явнополюсний ротор є сталевим підковуванням. До ободу ротора прикріплюють полюси, на які надягаються котушки збудження, які послідовно з'єднуються між собою. Кінці обмотки збудження приєднуються до двох кілець, укріплених на валу ротора. На кільця накладаються щітки, до яких приєднується джерело постійної напруги. Зазвичай постійний струм для збудження ротора дає генератор постійного струму, що сидить на одному валу з ротором і називається збудником. Потужність збудника дорівнює 0,25-1% номінальної потужності синхронного генератора. Номінальна напруга збудників 60-350 ст.

Є також синхронні генератори із самозбудженням. Постійний струм для збудження ротора виходить за допомогою селенових випрямлячів, що підключаються до статорної обмотки генератора. У перший момент залишкове поле магнетизму ротора, що обертається, індукує в обмотці статора незначну змінну ЕРС. Селенові випрямлячі, підключені до змінної напруги, дають постійний струм, який посилює поле ротора, і напруга генератора збільшується.

При конструюванні електричних машин і трансформаторів багато уваги конструктори звертають на вентиляцію машин. Для синхронних генераторів застосовується повітряне та водневе охолодження.

72. ПРИСТРІЙ ГЕНЕРАТОРА ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

Генератор постійного струму являє собою електричну машину, що перетворює механічну енергію первинного двигуна, що її обертає в електричну енергію постійного струму, яку машина віддає споживачам. Генератор постійного струму працює на принципі електромагнітної індукції Тому основними частинами генератора є якір з розташованою на ньому обмоткою та електромагніти, що створює магнітне поле.

Якір має форму циліндра та набирається з окремих штампованих листів електротехнічної сталі товщиною 0,5 мм. Листи ізольовані один від одного шаром лаку або тонкого паперу. Впадини, штамповані по колу кожного листа, при складанні якоря та стисканні листів утворюють пази, куди укладаються ізольовані провідники обмотки якоря.

На валу якоря зміцнюється колектор, що складається з окремих мідних пластин, припаяних до певних місць обмотки якоря. Пластини колектора ізольовані одна від одної міканітом. Колектор служить для випрямлення струму та відведення його за допомогою нерухомих щіток у зовнішню мережу.

Електромагніти генератора постійного струму складаються із сталевих полюсних сердечників, пригорнутих болтами до станини. Станина генератора відливається із сталі. У машин дуже малої потужності станина відливається разом із полюсними сердечниками. В інших випадках осердя полюсів набираються з окремих листів електротехнічної сталі. На сердечники надягають котушки, виготовлені із мідного ізольованого дроту. Пропущений через обмотку збудження постійний струм утворює магнітний потік полюсів. Для кращого розподілу магнітного потоку в повітряному зазорі до ярму прикріплюють полюси з наконечникамиiні з окремих сталевих листів.

При обертанні якоря в магнітному полі плюсів у провіднику його обмотки індуктуються ЕРС, змінна за величиною та напрямом. Якщо кінці одного витка припаяти до двох мідних кільців, на кільця накласти щітки, з'єднані із зовнішньою мережею, то при обертанні витка в магнітному полі в замкнутому ланцюзі потече змінний електричний струм. На цьому ґрунтується дія генераторів змінного струму.

Якщо ж кінці витка приєднати до двох мідних півкільцях, ізольованим один від одного і званим пластинами колектора, і накласти на них щітки, то при обертанні витка в магнітному полі у витку, як і раніше, індуктуватиметься змінна ЕРС. Однак у зовнішньому ланцюгу протікатиме змінний за величиною струм постійного напрямку (пульсуючий струм).

Нейтральною лінією, або геометричною нейтраллю, називається лінія, що проходить через центр якоря та перпендикулярна осі полюсів. Активна сторона витка в цьому положенні ковзає вздовж магнітних ліній, не перетинаючи їх. Тому ЕРС у витку не наводиться і струм у ланцюзі дорівнює нулю. Ширина щітки більша за ширину колекторного поділу, утвореного пластиною і ізолюючим проміжком, і виток, перебуваючи на нейтральній лінії, замикається в цей момент щітки коротко.

Для генераторів, що працюють з різко змінюється навантаженням (підйомні крани, прокатні стани), застосовують іноді компенсаційну обмотку, що закладається в пази, спеціально зроблені в полюсних наконечниках. Напрямок струму компенсаційної обмотки має бути протилежним струму в провідниках обмотки якоря. На дузі, що охоплюється полюсним наконечником, магнітне поле компенсаційної обмотки врівноважуватиме поле реакції якоря, не допускаючи спотворення поля машини. Компенсаційна обмотка, як і обмотка додаткових полюсів, включається послідовно з обмоткою якоря.

73. ТИПИ ГЕНЕРАТОРІВ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ

Залежно від способу створення магнітного поля генератори постійного струму поділяються на три групи:

1) генератори з постійними магнітами, або магнітоелектричні;

2) генератори із незалежним збудженням;

3) генератори із самозбудженням. Магнітоелектричні генератори складаються з одного або декількох постійних магнітів, в яких обертається якір з обмоткою. З огляду на дуже малу потужність, що виробляється, генератори цього типу для промислових цілей не застосовуються.

У генератора з незалежним збудженням обмотки полюсів живляться від стороннього, незалежного від генератора, джерела постійної напруги (генератора постійного струму, випрямляча та ін.).

Живлення обмотки збудження полюсів генератора із самозбудженням здійснюється зі щіток якоря самої машини. Принцип самозбудження ось у чому. За відсутності струму в обмотці збудження якір генератора обертається у слабкому магнітному полі залишкового магнетизму полюсів. Незалежна ЕРС, що індуктується в обмотці якоря в цей момент, посилає слабкий струм в обмотку полюсів. Магнітне поле полюсів збільшується, тому ЕРС у провідниках якоря також збільшується, що, своєю чергою, викличе збільшення струму збудження. Так буде продовжуватися доти, поки в обмотці збудження не встановиться струм, що відповідає величині опору ланцюга збудження. Самозбудження машини може статися лише в тому випадку, якщо струм, що протікає по обмотці полюсів, буде створювати магнітне поле, що підсилює поле залишкового магнетизму, і якщо, крім того, опір ланцюга збудження не перевищує певної певної величини.

Генератори із самозбудженням залежно від способу з'єднання обмотки збудження з обмоткою якоря поділяються на три типи.

1. Генератор з паралельним збудженням (шунтовий), у якого обмотка збудження полюсів включена паралельно обмотці якоря.

2. Генератор з послідовним збудженням (серієсний), у якого обмотка збудження полюсів включена послідовно з обмоткою якоря.

3. Генератор зі змішаним збудженням (компаунд-ний), у якого на полюсах є дві обмотки: одна - включена паралельно до обмотки якоря, і інша - включена послідовно з обмоткою якоря. Напруга генератора із незалежним збудженням змінюється із навантаженням від двох причин:

1) внаслідок падіння напруги в обмотці якоря та перехідному контакті щіток;

2) дія реакції якоря, що призводить до зменшення магнітного потоку та ЕРС машини. У генератора з паралельним збудженням напруга з навантаженням змінюється від трьох причин: 1) внаслідок падіння напруги в обмотці якоря та перехідному контакті щіток;

2) внаслідок зменшення магнітного потоку, спричиненого дією реакції якоря;

3) під дією перших двох причин напруга генератора (або напруга щіток якоря) з навантаженням зменшується.

Генератор із послідовним збудженням відрізняється від генератора з паралельним збудженням, так як у першого зі збільшенням навантаження напруга збільшується, а у другого зменшується.

Генератор зі змішаним збудженням поєднує властивості генераторів з паралельним і послідовним збудженням.

74. ЕЛЕКТРОДВИГУНИ

Якщо машину постійного струму підключити до джерела напруги, вона стане працювати електричним двигуном, т. е. перетворювати електричну енергію в енергію механічну. Ця властивість електричних машин працювати як як генератор, так і як двигун називається оборотністю.

Електричний двигун був винайдений у 1834 р. російським академіком Б.С. Якобі.

Пристрій електричних двигунів такий самий, як генераторів. Принцип дії електричних двигунів постійного струму заснований на взаємодії струму, що протікає в обмотці якоря, та магнітного поля, створюваного полюсами електромагнітів. Потужність, що споживається двигуном з мережі, більше потужності на валу на величину втрат на тертя в підшипниках, щіток об колектор, якоря об повітря, втрат у сталі на гістерезис та вихрові струми, втрат потужності на нагрівання обмоток двигуна та реостатів. ККД електричного двигуна із навантаженням змінюється. При номінальній потужності величина ККД двигунів коливається від 70 до 93% залежно від потужності, швидкості обертання та виконання двигунів.

Залежно від з'єднання обмотки якоря та обмотки збудження електричні двигуни постійного струму діляться на двигуни з паралельним, послідовним та змішаним збудженням.

Провідники обмотки якоря, якими проходить струм, перебуваючи в магнітному полі, створеному полюсами, відчувають силу, під впливом якої вони виштовхуються з магнітного поля. Для того, щоб якір двигуна обертався в будь-яку певну сторону, необхідно, щоб напрямок струму в провіднику змінювалося на зворотне, як тільки провідник вийде із зони дії одного полюса, перетне нейтральну лінію і увійде в зону дії сусіднього, різноїменного полюса. Для напрямку струму в провідниках обмотки якоря двигуна в момент, коли провідники проходять нейтральну лінію, служить колектор.

В електродвигуні з паралельним збудженням обмотка збудження включена паралельно в мережу та при постійному опорі ланцюга збудження та напруги мережі магнітний потік двигуна повинен бути постійним. Зі збільшенням навантаження двигуна реакція якоря послаблює магнітний потік, що призводить до деякого збільшення швидкості. Насправді падіння напруги в обмотці якоря підбирають таким, щоб його вплив на швидкість двигуна було майже компенсовано реакцією якоря. Характерною властивістю двигуна з паралельним збудженням є майже стала швидкість обертання при зміні навантаження на його валу.

У двигунів з послідовним збудженням обмотки якоря та збудження з'єднані послідовно. Тому струм, що протікає по обох обмотках двигуна, буде однаковий. При малих насиченнях сталі магнітопроводу двигуна магнітний потік пропорційний струму якоря.

В електродвигуні зі змішаним збудженням наявність на полюсах двигуна двох обмоток дозволяє використовувати переваги двигунів паралельного та змішаного збудження. Цими перевагами є сталість швидкості та великий крутний момент при пуску двигуна. Регулювання швидкості двигуна зі змішаним збудженням виконується регулювальним реостатом, включеним до ланцюга паралельної обмотки збудження.

75. Випромінювачі

Двигун-генератори застосовуються рідко і зазвичай користуються спеціальними пристроями, що перетворюють змінний струм на постійний і званими випрямлячами. У техніці найбільшого застосування отримали два типи випрямлячів:

1) тверді випрямлячі;

2) ртутні випрямлячі.

Твердими випрямлячами називають такі, у яких окремі частини виготовлені із твердих тіл. З твердих випрямлячів поширення в техніці набули мідно-закисні (купроксні), селенові, кремнієві та германієві.

Ртутні випрямлячі бувають:

1) скляні;

2) металеві.

Крім твердих та ртутних випрямлячів, існують ще випрямлячі: механічні, кенотрони, газотрони, електролітичні. Кенотрони (лампові випрямлячі) широко застосовуються в радіотехніці, є в більшості сучасних радіоприймачів, що живляться від мереж змінного струму і т.д.

1) метал, що володіє вільними електронами у великій концентрації;

2) ізоляційний (замикаючий), що не має вільних електронів;

3) напівпровідник, що має невелику кількість вільних електронів. За наявності на малих шарах різниці потенціалів у замикаючому шарі виникає сильне електричне поле, що сприяє вириванню вільних електронів із прилеглих до нього шарів.

У селенових випрямляча одним електродом є залізна нікельована шайба з нанесеним на ній тонким шаром селену. Другим електродом служить шар із спеціального, добре проводить сплаву вісмуту, олова і кадмію, напиленого на селен. До цього шару притиснута контактна латунна шайба. Для включення елемента в ланцюг служать платівки, що стосуються обох електродів. На межі між покривним шаром і шаром селену виникає замикаючий шар.

Дія ртутного випрямляча засноване на так званій вентильній (односторонній) здатності електричної дуги, що виникла у відкачаному та заповненому ртуттю посудині, пропускати струм тільки в одному напрямку. Вентиль являє собою пристрій, що має малий опір струму прямого напрямку і великий опір струму зворотного напрямку.

Для струмів понад 500 А використовуються металеві ртутні випрямлячі. Металевий корпус випрямляча має водяне охолодження. Катодна чаша ізольована від корпусу наповнена ртуттю. Головні аноди пропущені через анодні рукави, які оберігають аноди від ртуті, що сконденсується з її пар. Усередині випрямляча вміщено анод запалення та аноди незалежного збудження. Верхній кінець анода запалення прикріплений до сталевого осердя, поміщеного в соленоїді. Якщо замкнути ланцюг струму, що живить соленоїд, то сердечник втягується і опускає анод запалювання, який на короткий час занурюється в ртуть і потім під дію пружини повертається до попереднього положення. Дуга, що виникла між анодом запалення та ртуттю, перекидається на аноди збудження, які підтримують дугу, не даючи їй згаснути.

Регулювання випрямленої напруги у випрямлячів здійснюється за допомогою секціонованого трансформатора або автотрансформатора, що мають ряд відгалужень від обмоток. Змінюючи величину напруги змінного струму, що живить випрямляч, змінюють величину випрямленої напруги.

76. ЕЛЕКТРОВИМІРЮВАЛЬНІ ПРИЛАДИ

Для вимірювання електричних величин використовуються спеціальні електровимірювальні прилади. Електровимірювальні прилади знайшли собі широке застосування для раціональної експлуатації, контролю та захисту електричних установок у різних галузях народного господарства.

У електровимірювальних приладах розрізняють рухому та нерухому частини приладу. Прояв електричного струму, наприклад його теплові, магнітні та механічні дії, покладено в основу взаємодії рухомої та нерухомої частин приладу. Виникає внаслідок цього момент, що обертає, повертає рухому частину приладу разом з покажчиком (стрілкою).

Під дією крутного моменту рухлива система повертається на кут тим більший, чим більше буде вимірювана величина. На противагу моменту, що обертає, повинен бути створений рівний і протилежний протидіючий момент, так як інакше при будь-яких значеннях вимірюваної величини (крім нуля) стрілка буде відхилятися в кінець шкали до упору.

Зазвичай протидіючий момент створюється за допомогою спіральних пружин із фосфористої бронзи.

Тертя, як відомо, спрямоване завжди проти руху. Тому при русі рухомої частини приладу тертя заважатиме цьому і спотворюватиме показання приладу. Для зменшення тертя рухлива частина в деяких конструкціях кріпиться на кернах у підп'ятниках з каменю високої твердості (рубіна, сапфіра, агата). Для захисту кернів і підп'ятників від руйнування при перенесенні або транспортуванні деякі прилади мають пристрій, званий арретиром, яке піднімає рухому частину та закріплює її нерухомо.

Під впливом тих чи інших причин протидіє момент приладу змінюється. Наприклад, за різних температур спіральні пружини мають неоднакову пружність. У цьому випадку стрілка приладу відходитиме від нульового поділу. Для встановлення стрілки в нульове положення служить пристрій, що називається коректором. Вимірювальний механізм приладу укладено в корпус, що захищає його від механічних впливів та попадання пилу, води, газів.

Однією з умов, що висуваються до приладу, є швидке заспокоєння його рухомої частини, досягнуте шляхом влаштування заспокійників, що використовують механічний опір середовища (повітря, масло) або магнітоіндукційне гальмування.

Електровимірювальні прилади розрізняють за такими ознаками: 1) за родом вимірюваної величини;

2) за родом струму;

3) за рівнем точності;

4) за принципом дії;

5) за способом отримання відліку;

6) характером застосування.

Крім цих ознак, електровимірювальні прилади можна також відрізнити:

1) за способом монтування;

2) способу захисту від зовнішніх магнітних чи електричних полів;

3) витривалості щодо перевантажень;

4) придатності до застосування за різних температур;

5) габаритних розмірів та інших ознак.

За родом струму прилади поділяються на прилади постійного струму, прилади змінного струму та прилади постійного та змінного струму.

За принципом дії прилади поділяються на магнітоелектричні, електромагнітні, електродинамічні (феродинамічні), індукційні, теплові, вібраційні, термоелектричні, детекторні та ін.

77. ПРИСТРІЙ ВИМІРЮВАЛЬНИХ ПРИЛАДІВ

Прилади магнітоелектричної системи працюють на принципі взаємодії котушки зі струмом та поля постійного магніту. Сильний постійний підковоподібний магніт, виготовлений із кобальтової, вольфрамової або нікель-алюмінієвої сталі, створює магнітне поле. До кінців магніту наведені полюсні наконечники з м'якої сталі, що мають циліндричні виточки. Між полюсними наконечниками нерухомо укріплений сталевий циліндр, що служить зменшення опору магнітної ланцюга. Магнітні лінії виходять з полюсних наконечників і через те, що магнітна проникність стали значно більшими, ніж у повітря, радикально входять у циліндр, утворюючи в повітряному зазорі практично однорідне магнітне поле. Таке саме поле створюється при виході магнітних ліній з циліндра. Циліндр охоплює легка алюмінієва рамка з намотаною на ній обмоткою (котушкою), виготовленою із ізольованого мідного дроту. Рамка сидить на осі, що лежить у підп'ятниках. На осі кріпиться також алюмінієва стрілка. Протидіючий момент створюється двома плоскими спіральними пружинами, що служать одночасно для підведення струму до обмотки приладу.

Електромагнітні прилади працюють на принципі взаємодії між струмом котушки та магнітним полем рухомого осердя з феромагнітного матеріалу. За конструкцією електромагнітні прилади поділяються на два типи: прилади з плоскою котушкою та прилади з круглою котушкою.

Принцип дії електродинамічних приладів заснований на взаємодії магнітних полів двох котушок: однієї, нерухомо закріпленої, та іншої, що сидить на осі і обертається.

Принцип дії теплових приладів заснований на подовженні металевої нитки при нагріванні її струмом, яке потім перетворюється на обертальний рух рухомої частини приладу.

Індукційні вимірювальні прилади характеризуються застосуванням декількох нерухомих котушок, що живляться змінним струмом і створюють магнітне поле, що обертається або біжить, яке індуктує струми в рухомій частині приладу і викликає її рух. Індукційні прилади застосовуються тільки при змінному струмі як ватметри та лічильники електричної енергії.

Принцип дії приладів термоелектричної системи заснований на використанні електрорушійної сили, що виникає в ланцюгу, що складається з провідників різнорідних, якщо місце з'єднання цих провідників має температуру, відмінну від температури решти ланцюга.

Прилади детекторної системи є поєднанням магнітоелектричного вимірювального приладу і одного або декількох напівпровідникових випрямлячів (детекторів), з'єднаних разом в одну схему. Як випрямлячі зазвичай використовують мідно-закисні випрямлячі.

Прилади вібраційної системи характеризуються застосуванням ряду налаштованих пластин, що мають різні періоди власних коливань і дозволяють проводити вимірювання частоти завдяки резонансу частоти пластини, що коливається з вимірюваною частотою. Вібраційні прилади будуються лише як частотоміри.

78. ВИМІРЮВАЛЬНІ ТРАНСФОРМАТОРИ

У мережах змінного струму для відділення вимірювальних приладів для безпеки від проводів високої напруги, а також для розширення меж вимірювання приладів застосовуються вимірювальні трансформатори напруги і струму.

Для забезпечення високої точності вимірювань трансформатори напруги (струму) не повинні змінювати свій коефіцієнт трансформації і мати постійний кут у 180між векторами первинної та вторинної напруги (струму). Остання умова потрібна при включенні через трансформатори напруги (струму) таких приладів, показання яких залежать від кута зсуву між напругою та струмом сітки.

Однак на практиці трансформатори напруги (струму) мають так звану похибку в коефіцієнті трансформації та кутову похибку.

Відносною похибкою в коефіцієнті трансформації називається різницю між вторинною напругою (струмом), помноженим на коефіцієнт трансформації, і дійсною величиною первинної напруги (струму).

Кутовою похибкою вимірювального трансформатора напруги (струму) називається кут між вектором первинної напруги (струму) і повернутим на 180вектором вторинної напруги (струму). Похибка у коефіцієнті трансформації та кутова похибка збільшуються з навантаженням. Тому трансформатори не можна навантажувати понад номінальну (вказану на паспорті) потужність.

Первинна та вторинна обмотки вимірювального трансформатора напруги виконуються з мідного ізольованого дроту та надягають на замкнутий сердечник, зібраний з окремих листів трансформаторної сталі. Трансформатори напруги виготовляються однофазними та трифазними. Для захисту трансформатора від перевантажень і коротких замикань у ланцюгу вимірювальних приладів у вторинну обмотку включаються плавкий низьковольтний запобіжник. У разі пробою ізоляції високовольтної обмотки сердечник та вторинна обмотка можуть отримати високий потенціал. Щоб уникнути цього, вторинна обмотка і металеві частини трансформатора заземлюються.

Трансформатори струму служать для перетворення струму великої величини струм малої величини. На сердечник, зібраний з окремих листів трансформаторної сталі, намотуються дві обмотки: первинна, що складається з невеликої кількості витків, що включається послідовно в ланцюг, по якому проходить струм, що вимірювається, і вторинна, що складається з великого числа витків, до якої підключені вимірювальні прилади. При вимірюванні струму в мережах високої напруги вимірювальні прилади виявляються відокремленими та ізольованими від високовольтних проводів. Вторинна обмотка трансформатора струму зазвичай виконується на струм 5 А (іноді на 10 А), первинні номінальні струми можуть бути від 5 до 15 000 А.

Відношення первинного струму до вторинного, що дорівнює приблизно зворотному відношенню витків обмоток, називається коефіцієнтом трансформації струму. Номінальний коефіцієнт трансформації вказується на паспорті трансформатора у вигляді дробу, у чисельнику якого вказується номінальний первинний струм, а знаменнику - номінальний вторинний струм.

79. РЕОСТАТИ

В електровимірювальній практиці, а також при експлуатації електричних машин застосовуються різні реостати.

Реостатом називається прилад, який має деякий опір, який можна змінювати, змінюючи тим самим струм і напругу ланцюга. Реостати бувають зі ковзним контактом, важільні, рідинні, лампові та штепсельні.

Реостат зі ковзним контактом. На фарфорову трубку намотується голий дріт. В результаті спеціальної обробки поверхня дроту покривається тонкою плівкою окису, що не проводить струм. По металевій планці, притискаючись до дроту реостату, ковзає повзунок. Так як послідовно з електричною лампою в ланцюг введена частина опору реостата, то струм, що протікає через нитку лампи, буде зменшений і лампа в цьому випадку горітиме слабше. Пересуваючи повзунок праворуч, ми зменшуватимемо опір реостату, і сила світла лампи буде збільшуватися. Реостати зі ковзним контактом застосовуються там, де необхідна плавна, повільна зміна струму в ланцюзі.

Важільний реостат. На рамі із ізоляційного матеріалу натягуються спіралі з дроту. Спіралі з'єднані послідовно. Від початку, кінця та місць з'єднань окремих спіралей зроблено відгалуження до контактів. Ставлячи важіль на певний контакт реостату, ми можемо змінювати опір, а водночас і струм у ланцюзі. Однак ці зміни відбуваються не плавно, а стрибкоподібно.

Матеріалом для дротяних реостатів найчастіше є залізо, нікелін, константан, манганін, ніхром.

Рідинний реостат. Реостат є металевою посудиною з розчином соди. На шарнірі укріплений важіль, на якому є залізний чи мідний ніж. Важіль із ножем ізольований від металевого ящика прокладкою. Піднімаючи чи опускаючи ніж у розчин соди, можемо змінювати струм у ланцюгу. Опускаючи ніж у розчин, ми збільшуємо площу зіткнення ножа з розчином і збільшуємо струм через реостат. При подальшому зануренні ножа контакт ручки увійде в затискач на металевому корпусі і реостат буде замкнутий коротко, тобто вимкнений з роботи.

Рідинні реостати застосовують у ланцюгах при великих струмах.

Ламповий реостат. Представляє набір декількох електричних ламп, що паралельно включаються. Відомо, що якщо одна лампа розжарювання матиме опір 150 Ом, дві такі ж лампи матимуть загальний опір вже тільки 75 Ом, три лампи - 50 Ом і т.д.

Таким чином, загальний опір кількох однакових, паралельно включених ламп дорівнюватиме опору однієї лампи, поділеному на число включених ламп.

Штепсельні реостати. Часто звані магазинами опорів представляють набір певних точно вивірених опорів. Кінці котушок опорів приєднуються до мідної планки, що розрізає. Коли у вирізи планки вставляється мідний штепсель, він з'єднує собою дві сусідні частини планки. Цим опір, підключений своїми кінцями до сусідніх частин планки, вимикається з ланцюга чи, як кажуть, закорочується (замикається коротко).

Вийнятий штепсель змушує електричний струм проходити по котушці опору.

Магазини опорів дозволяють легко включати в ланцюг опору точно визначеної величини та застосовуються при електричних вимірах.

80. ВИМІР АКТИВНОЇ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ПОТУЖНОСТІ

Постійний струм. З формули потужності постійного струму P =UI видно, що визначення потужності може бути зроблено шляхом множення показань амперметра та вольтметра. Однак на практиці вимірювання потужності зазвичай проводиться за допомогою спеціальних приладів. ватметрів. Ваттметр складається з двох котушок: нерухомої, що складається з невеликої кількості витків товстого дроту, і рухомий, що складається з великої кількості витків тонкого дроту. При включенні ватметра струм навантаження проходить через нерухому котушку, послідовно включену в ланцюг, а рухома котушка включається паралельно споживачеві. Для зменшення споживаної потужності в паралельній обмотці та зменшення ваги рухомої котушки послідовно з нею включається додатковий опір з манганіну. В результаті взаємодії магнітних полів рухомий і нерухомий котушок виникає момент обертання, пропорційний струмам обох котушок. Обертальний момент приладу пропорційний потужності, що споживається в ланцюгу.

Щоб стрілка приладу відхилялася від нуля праворуч, необхідно струм через котушку пропускати у певному напрямку.

Крім електродинамічних ватметрів, для вимірювання потужності в ланцюгах постійного струму використовуються також ватметри феродинамічної системи.

Однофазний змінний струм. При включенні електродинамічного ватметра в ланцюг змінного струму магнітні поля рухомий і нерухомий котушок, взаємодіючи між собою, викличуть поворот рухомої котушки. Миттєвий момент обертання рухомої частини приладу пропорційний добутку миттєвих значень струмів в обох котушках приладу. Але внаслідок швидких змін струмів рухома система не зможе слідувати за цими змінами і момент обертання приладу буде пропорційний до середньої або активної потужності P = U·I·cos?. .

Для вимірювання потужності змінного струму користуються також ватметрами індукційної системи.

При вимірюванні ватметром потужності в мережах низької напруги з великими струмами застосовують трансформатори струму. Для зменшення різниці потенціалів між обмотками ватметра первинна та вторинна ланцюга трансформатора струму мають загальну точку. Вторинна обмотка трансформатора не заземляється, оскільки це означало б заземлення одного дроту мережі.

Для визначення потужності мережі в цьому випадку потрібно показання ватметра помножити на коефіцієнт трансформації трансформатора.

Трифазний змінний струм. При рівномірному навантаженні трифазної системи для вимірювання потужності користуються одним однофазним ватметром. По послідовній обмотці ватметра в цьому випадку протікає фазний струм, а паралельна обмотка включена до фазної напруги. Тому ватметр покаже потужність однієї фази. Для отримання потужності трифазної системи потрібно показання однофазного ватметра помножити на три.

У мережах високої напруги трифазний ватметр включається за допомогою вимірювальних трансформаторів напруги та струму.

81. ВИМІР АКТИВНОЇ ЕЛЕКТРИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ

Постійний струм. Для вимірювання витрати енергії при постійному струмі застосовують лічильники трьох систем: електродинамічної, магнітоелектричної та електролітичної. Найбільшого поширення набули лічильники електродинамічної системи. Нерухомі струмові котушки, що складаються з невеликої кількості витків товстого дроту, послідовно включені в мережу. Рухлива котушка кулястої форми, яка називається якорем, укріплена на осі, яка може обертатися в підп'ятниках. Обмотка якоря виконана з великої кількості витків тонкого дроту і розділена на кілька секцій. Кінці секцій припаяні до пластин колектора, якого стосуються металеві плоскі щітки. Напруга мережі подається в обмотку якоря через додатковий опір. Працюючи лічильника результаті взаємодії струму в обмотці якоря і магнітного потоку нерухомих струмів котушок створює момент обертання, під впливом якого якір почне повертатися. Про кількість енергії, що споживається в мережі, можна судити за кількістю оборотів, зроблених якорем (диском). Кількість енергії, що припадає на один оборот якоря, називається постійною лічильником. Число оборотів якоря, що припадає на одиницю врахованої електричної енергії, називається передатним числом.

Однофазний змінний струм. Для вимірювання активної енергії в ланцюгах змінного струму однофазного застосовують лічильники індукційної системи. Пристрій індукційного лічильника майже такий самий, як і індукційного ватметра. Різниця полягає в тому, що лічильник не має пружин, що створюють протидіючий момент, тому диск лічильника може вільно обертатися. Стрілка і шкала ватметра замінені в лічильнику рахунковим механізмом. Постійний магніт, що служить у ватметрі для заспокоєння, у лічильнику створює гальмуючий момент.

Трифазний змінний струм. Активну енергію трифазного змінного струму можна виміряти за допомогою двох однофазних лічильників, включеної в ланцюг за схемою, аналогічною схемою двох ватметрів. Зручніше виміряти енергію трифазним лічильником активної енергії, що поєднує в одному приладі роботу двох однофазних лічильників. Схема включення двоелементного трифазного лічильника активної енергії та ж, що і схема відповідного ватметра.

У чотирипровідній мережі трифазного струму для вимірювання активної енергії застосовують схему, аналогічну схемою трьох ватметрів, або використовують триелементний трифазний лічильник. У мережах високої напруги включення лічильників здійснюється за допомогою вимірювальних трансформаторів напруги та струму.

Реактивну енергію однофазного струму можна визначити за показанням амперметра, вольтметра, фазометра та секундоміра.

Для обліку реактивної енергії у мережах трифазного струму можна застосовувати нормальні лічильники активної енергії та спеціальні лічильники реактивної енергії.

Розглянемо пристрій спеціального трифазного лічильника реактивної енергії. Влаштування лічильника цього типу таке ж, як і пристрій двоелементного трифазного ватметра. Паралельні обмотки двох елементів включаються до мережі. На U-подібні осердя накладаються не дві, а чотири послідовні обмотки. Причому на один із відростків U-подібного сердечника першого елемента намотується одна послідовна обмотка. Друга струмова обмотка міститься на другому відростку сердечника першої системи і третя струмова обмотка міститься на першому відростку другої системи. Четверта струмова обмотка міститься на другому відростку U-подібного сердечника другого елемента.

82. ЕЛЕКТРИЧНИЙ ПРИВОД

Двигун і передавальний механізм надають руху виконавчому механізму. Тому ці дві частини машини називаються приводом.

Якщо для руху робочої машини використовується електричний двигун, то такий привід називається електричним приводом або скорочено електроприводом.

Першим практичним застосуванням електроприводу слід вважати використання його на катері академіком Б.С. Якобі в 1838 р. на катері було встановлено електричний двигун, який отримав живлення від гальванічної батареї.

Електроприводи, що застосовуються у виробництві, можна розбити на три основні типи: груповий, одиночний та багаторуховий.

Груповий електропривод складається з одного електричного двигуна, який через трансмісію і контрпривод надає руху кілька виконавчих механізмів. Контрпривод є коротким валом, що лежить у підшипниках. На валу розташовані ступінчастий шків, робітник (пов'язаний з валом) і неодружений (вільно сидить на валу) шківи. Контрпривід дає можливість змінювати швидкість обертання верстата (за допомогою ступінчастого шківа), зупиняти і пускати верстат (за допомогою робочого або холостого шківа). Зупинка приводного двигуна призводить до припинення роботи всіх виконавчих механізмів, які отримують від нього механічну енергію. Працюючи лише частини виконавчих механізмів груповий привід має низький ККД.

Одиночний електропривод складається з електродвигуна, який надає руху окремий виконавчий механізм. Поодиноким приводом обладнані одношпиндельні свердлильні верстати, токарні верстати малої потужності та ін. Спочатку передача руху від двигуна до верстата здійснювалася через контрпривід. Згодом сам електродвигун зазнав конструктивних змін і став складати одне ціле з виконавчим механізмом. Такий одиночний привід називається індивідуальним.

Багаторуховий привід складається з декількох електродвигунів, кожен з яких служить для руху окремих елементів виконавчого механізму. Багаторухові приводи застосовуються для складних металообробних верстатів великої потужності, прокатних станів, папероробних машин, підйомних кранів та інших машин та механізмів.

По роду струму електропривод поділяється на електропривод постійного струму та електропривод змінного струму. Залежно від способу з'єднання обмоток якоря та збудження розрізняють двигуни постійного струму з паралельним, послідовним та змішаним збудженням.

При визначенні потужності машини розрізняють три режими роботи.

1. Тривалий режим роботи характеризується роботою, коли він робочий період настільки великий, що нагрівання машини досягає свого встановленого стану.

2. Короткочасний режим роботи характеризується тим, що під час робочого періоду температура двигуна не встигає досягти стану, що встановився.

3. Повторно-короткочасний режим роботи характеризується чергуванням робочих періодів та пауз. Тривалість одного робочого періоду та однієї паузи не повинна перевищувати 10 хв. Режим повторно-короткочасної роботи визначається відносною тривалістю робочого періоду.

83. ІЗОЛЯЦІЯ, ФОРМИ ВИКОНАННЯ І ОХОЛОДЖЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ МАШИН

Потужність двигуна визначається його нагріванням. Допустиме нагрівання машини обмежується теплостійкістю з ізоляційних матеріалів, а також системою охолодження двигуна.

Ізолювальні матеріали, що застосовуються в електричних машинах, поділяються на п'ять класів. Клас ізоляції А. До нього входять бавовняні тканини, шовк, пряжа, папір та інші органічні матеріали, просочені різними оліями, а також емалі та лаки. Клас ізоляції Ст. Сюди входять вироби зі слюди, азбесту та інших неорганічних матеріалів, що містять органічні речовини, що зв'язують. Клас ізоляції ПС. Складається зі слюди, скляної пряжі та азбесту на теплостійких лаках. Клас ізоляції СВ. Складається із неорганічних матеріалів на теплостійких лаках без застосування ізолюючих матеріалів. класу А. Клас ізоляції. Включає слюду, порцеляну, скло, кварц та інші неорганічні матеріали без зв'язуючих речовин. Найбільша допустима температура нагрівання для ізоляції класу А-105о, для класу В-120о, для класу НД -135о, для класу Св дещо вище, залежно від теплостійкості лаків, що застосовуються, класу С температура не встановлюється.

За способом захисту від впливу довкілля розрізняють такі форми виконання електричних машин.

1. Відкрита електрична машина. Обертальні та струмопровідні частини машини в цьому виконанні не захищені від випадкового дотику та попадання на них сторонніх предметів.

2. Захищена електрична машина. Обертальні та струмопровідні частини такої машини захищені від дотику та попадання на них сторонніх предметів.

3. Каплезахисна електрична машина. Внутрішні частини такої машини запобігають потраплянню крапель води, що падають прямовисно.

4. Бризгозахисна електрична машина. Внутрішні частини машини захищені від попадання водяних бризок, що падають під кутом 45ок вертикалі з будь-якого боку.

5. Закрита електрична машина. Внутрішні частини машини цього виконання відокремлені від зовнішнього середовища, але не настільки щільно, щоб її можна було вважати герметичною. Ця машина застосовується в запорошених приміщеннях і може встановлюватися на відкритому повітрі.

6. Водозахищена електрична машина. Внутрішній простір машини захищений від проникнення води при обливанні машини з брандспойта. Застосовується у суднових установках.

7. Вибухобезпечна електрична машина. Закрита машина, виконана таким чином, що може протистояти вибуху в ній тих газів, які містяться у зовнішньому середовищі.

8...Герметична машина. Цілком закрита машина, у якої всі отвори закриті настільки щільно, що при певному зовнішньому тиску виключається будь-яке повідомлення між внутрішнім простіром машини і газовим середовищем і рідиною, що оточує машину ззовні.

За способом охолодження машини поділяються на такі типи.

1. Машини з природним охолодженням, які не мають спеціальних вентиляторів. Циркуляція охолоджуючого повітря здійснюється за рахунок вентилюючої дії обертових частин машин та явища конвекції.

2. Машини зі штучною витяжною або нагнітальною вентиляцією, в яких циркуляція газу, що охолоджує нагріті частини, посилюється спеціальним вентилятором, у тому числі: машини із самовентиляцією, що мають вентилятор на валу (захищені або закриті); машини з незалежною вентиляцією, вентилятор яких обертається стороннім двигуном (закриті машини).

84. ЗАХИСТ ЕЛЕКТРИЧНИХ ДВИГУНІВ

Щоб уникнути псування ізоляції двигуна та порушення цілісності обмоток та електричних з'єднань, двигуни повинні мати захисні пристрої, що забезпечують своєчасне відключення їх від мережі. Найчастішими причинами ненормальних режимів роботи двигуна є навантаження, короткі замикання, зниження чи зникнення напруги.

Перевантаженням називається збільшення струму двигуна надномінальної величини. Перевантаження можуть бути невеликі та короткочасні. Перевантаження можуть бути надмірні і тривалі - вони небезпечні для обмоток двигуна, тому що велика кількість тепла, що виділяється струмом, може обвуглити ізоляцію та спалити обмотки.

Також небезпечні для двигуна короткі замикання, які можуть відбуватися у його обмотках. Захист двигунів від перевантажень та коротких замикань називається максимальним струмовим захистом. Максимальний захист здійснюється плавкими запобіжниками, струмовими реле, тепловими реле. Вибір тих чи інших захисних пристроїв залежить від потужності, типу та призначення двигуна, пускових умов та характеру перевантажень.

Плавкі запобіжники є пристосуванням з легкоплавким дротом, виготовленим з міді, цинку або свинцю і укріпленої на ізолюючій основі. Призначення запобіжників полягає у відключенні споживача від мережі при неприпустимо великому навантаженні або короткому замиканні. Плавкі запобіжники мають відносно малу потужність, яку можуть відключити запобіжники або якийсь відключаючий апарат без небезпеки бути пошкодженим або зруйнованим, що називається гранично-вимикаючою потужністю.

Плавкі запобіжники бувають пробкові, пластинчасті та трубчасті. Пробкові запобіжники виготовляються на напругу до 500 В і струми від 2 до 60 А і застосовуються для захисту освітлювальних мереж і електродвигунів малої потужності. Пластинчасті запобіжники, які мають великі недоліки (розбризкування металу вставки при перегоранні, проблеми заміни їх), нині намагаються не застосовувати. Трубчасті запобіжники низької напруги виготовляються на напругу до 500 В і струми від 6 до 1000 А. Конструктивно трубочні запобіжники можуть бути виконані з відкритою фарфоровою трубкою і закритою скляною, фібровою або фарфоровою трубкою. Трубки з пропущеними крізь них плавкими вставками часто засипають кварцовим піском. У момент перегорання запобіжника пісок розбиває електричну дугу на ряд дрібних дуг, добре охолоджує дугу і швидко гасне.

В електричних ланцюгах постійного та змінного струму напругою до 500 В застосовуються автоматичні повітряні вимикачі або просто автомати. Призначення автоматів полягає у розмиканні електричних кіл при перевантаженні або коротких замиканнях.

Основною деталлю теплового реле є біметалічна пластина. Під дією тепла нагрівального елемента відбувається деформація біметалічної пластини, яка, згинаючи, звільняє клямку. Під дією пружини клямка повертається навколо осі і за допомогою тяги здійснює розмикання нормально замкнутих контактів допоміжного ланцюга реле. Повернення клямки в початкове положення здійснюється за допомогою кнопки повернення. Нагрівальний елемент теплового реле вибирається по номінальному струму двигуна.

85. КОНТАКТОРИ ТА КОНТРОЛЕРИ

Для дистанційного та автоматичного керування електродвигунами застосовують контактори. Залежно від роду струму контактори бувають постійного і змінного струму.

У контакторі постійного струму силовий ланцюг, що замикається контактором, проходить через контакти, укріплені на ізолюючій підставі, контакти самого контактора та гнучку струмоведучу зв'язок. Замикання контактора здійснюється електромагнітом, обмотка якого живиться від допоміжного кола управління. При замиканні ланцюга керування електромагніт притягує якір, який замикає контакт контактора.

Контактор утримується у включеному положенні доти, доки замкнений ланцюг обмотки електромагніта. Контактори постійного струму КП будуються з одним, двома та трьома головними контактами, що працюють у ланцюгах постійного струму напругою 220, 440 і 600 В. Номінальні струми, на які розраховані головні контакти, бувають від 20 до 250 А. Котушка електромагнітів контакторів КП розрахована 48, 110 та 220 Ст.

Крім головних контактів, що служать для замикання та розмикання силових ланцюгів, контактори забезпечуються блок-контактами для ланцюгів сигналізації та інших цілей. Контактори КП допускають до 240-1200 включень за годину.

Включають котушки контакторів змінного струму виготовляються на напруги 127, 220, 380 і 500 при частоті 50 Гц. Дані контактори допускають до 120 включень за годину.

Для пуску двигунів, зміни напрямку обертання, регулювання швидкості та зупинки двигунів застосовують апарати, які називаються контролерами. За родом струму контролери бувають постійного та змінного струму. Контролери, контакти яких входять у силові ланцюга електродвигунів, називаються силовими контролерами.

Є контролери, які замикають ланцюги управління електромагнітних апаратів, а вони, у свою чергу, замикають та розмикають силові ланцюги електродвигунів. Такі контролери називаються командоконтролерів.

Залежно від конструкції контактової системи контролери можуть бути барабанні та кулачкові. Вал барабанного контролера повертається за допомогою штурвала. На валу ізольовано від нього укріплені мідні пластини, що мають форму сегментів і є рухомими контактами. Сегменти можуть бути різної довжини та зміщені один щодо іншого на деякий кут. Деякі сегменти електрично з'єднуються між собою. При повороті валу контролера його сегменти з'єднуються з нерухомими контактами, укріпленими на ізолюючій планці. Нерухомі контакти пальцевого типу закінчуються легко змінюваними сухарями. В результаті з'єднання рухомих контактів з нерухомими виробляються необхідні перемикання в керованому ланцюзі.

Кулачковий контролер складається з комплекту контактних елементів, що замикаються і розмикаються за допомогою кулачкових шайб, розташованих на валу контролера. Для кращого гасіння дуги кожен контактний елемент контролера має індивідуальні пристрої для гасіння дуги. Контакти кулачкових контролерів мають більшу розривну потужність, ніж контакти барабанних контролерів, і допускають більше включень (до 600 включень на годину).

86. СПОСОБИ ПУСКУ ДВИГУНІВ

Пуск асинхронних двигунів можна проводити при повній напрузі (прямий пуск) та при зниженій напрузі. Прямий пуск здійснюється за допомогою рубильників, перемикачів, пакетних вимикачів, магнітних пускачів, контакторів та контролерів. При прямому запуску до двигуна подається повна напруга мережі. Недоліком цього способу пуску є великі пускові струми, які в 27 разів більші за номінальні струми двигунів.

Найбільш простим є прямий пуск асинхронних двигунів із короткозамкненим ротором. Пуск і зупинка таких двигунів здійснюється включенням або відключенням рубильника і т. п. Пуск асинхронних двигунів з фазним ротором здійснюється за допомогою пускового реостата, що підключається до обмотки ротора через кільця та щітки. Перед пуском двигуна можна переконатися, що опір пускового реостата повністю введено. Наприкінці пуску реостат плавно виводиться та закорочується. Наявність активного опору в ланцюзі ротора при пуску призводить до зменшення пускового струму та збільшення пускового моменту. Для зменшення пускових струмів асинхронних двигунів зменшують напругу, що підводиться до обмотування статора двигуна.

Зменшити напругу, що підводиться до двигуна, а разом із цим зменшити пусковий струм двигуна можна також за допомогою автотрансформатора. При запуску автотрансформатори знижують напругу на 50-80%.

Одним з головних недоліків синхронних двигунів є складність їхнього запуску. Пуск синхронних двигунів може бути здійснений за допомогою допоміжного пускового двигуна або асинхронного пуску.

Якщо ротор синхронного двигуна з збудженими полюсами розгорнути іншим, допоміжним двигуном до швидкості обертання поля статора, магнітні полюси статора, взаємодіючи з полюсами ротора, змусять ротор обертатися далі самостійно без сторонньої допомоги, такт з полем статора, тобто синхронно. Для здійснення пуску необхідно, щоб число пар полюсів асинхронного двигуна було менше від кількості пар полюсів синхронного двигуна, бо за цих умов допоміжний асинхронний двигун може розгорнути ротор синхронного двигуна до синхронної швидкості.

Складність пуску та необхідність допоміжного двигуна є суттєвими недоліками цього способу пуску синхронних двигунів. Тому нині він застосовується рідко.

Для здійснення асинхронного пуску синхронного двигуна в полюсних наконечниках полюсів ротора укладається додаткова короткозамкнута обмотка. Так як під час пуску в обмотці збудження двигуна наводиться велика ЕРС, з міркувань безпеки вона замикається рубильником на опір.

При включенні напруги трифазної мережі в обмотку статора синхронного двигуна виникає обертове магнітне поле, яке, перетинаючи короткозамкнуту обмотку, закладену в полюсних наконечниках ротора, індукує в ній струми. Ці струми, взаємодіючи з полем статора, що обертає, приведуть ротор в обертання. При досягненні ротором більшої кількості обертів рубильник перемикається так, щоб обмотку ротора включити в мережу постійної напруги. Недоліком асинхронного пуску є великий пусковий струм (у 5-7 разів більший за робочий струм).

87. РЕГУЛЮВАННЯ ШВИДКОСТІ ОБЕРТАННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ ДВИГУНІВ

Регулювання швидкості обертання електричних двигунів постійного струму можна проводити шляхом зміни напруги, що підводиться до двигуна, або шляхом зміни величини магнітного потоку двигуна.

Зміна величини напруги, що підводиться до якоря двигуна, можна проводити шляхом послідовно включення з якорем двигуна змінного регулювального опору або шляхом послідовного і паралельного включення обмоток якорів декількох двигунів. Найчастіше для регулювання швидкості застосовують спосіб зміни величини магнітного потоку двигуна. Для цієї мети ланцюг обмотки збудження двигуна включають реостат, що дає можливість проводити широке і плавне регулювання швидкості двигуна.

Регулювання швидкості обертання асинхронних двигунів проводиться одним із таких способів.

1. Зміна числа полюсів електродвигуна. Для зміни числа пар полюсів двигуна статор його виконують або з двома самостійними обмотками, або з однією обмоткою, яку можна переєднувати на різні числа полюсів. Переєднання обмоток статора здійснюється за допомогою спеціального апарату - контролера. При цьому способі регулювання швидкості обертання двигуна відбувається стрибками. Регулювання швидкості обертання двигуна шляхом зміни числа полюсів можна проводити лише у асинхронних двигунів із короткозамкненим ротором. Ротор з короткозамкнутою обмоткою може працювати з будь-яким числом полюсів статора. Навпаки, ротор двигуна з фазною обмоткою може нормально працювати лише за певної кількості полюсів статора. Інакше обмотку ротора також довелося б перемикати, що зробило б великі ускладнення в схему двигуна.

2. Зміна частоти змінного струму. При цьому способі частоту змінного струму, що підводиться до статора обмотки двигуна, змінюють за допомогою спеціального генератора. Регулювання зміни частоти струму вигідно проводити, коли є велика група двигунів, які потребують спільного плавного регулювання швидкості обертання.

3. Введення опору в ланцюг ротора. Під час роботи двигуна ланцюг обмотки ротора вводять опір регулювального реостата. Такий спосіб застосовується тільки для двигунів з фазним ротором.

4. Управління за допомогою дроселів насичення. Однофазний дросель насичення має дві обмотки: одна включена в ланцюг змінного струму, інша, яка називається обмоткою, що управляє або підмагнічує, підключається до джерела постійної напруги (випрямляча). Зі збільшенням струму в обмотці, що управляє, магнітна система дроселя насичується і індуктивний опір обмотки змінного струму зменшується. Включаючи дроселі в кожну фазу асинхронного двигуна і змінюючи струм обмотки, що управляє, можна змінювати опір в ланцюгу статора двигуна, а отже, і швидкість обертання самого двигуна.

Для пуску в хід двигунів постійного струму великої потужності, а також для широкого регулювання швидкості обертання двигунів застосовують схему "генератор - двигун", скорочено Г - Д. Система Г - Д дає можливість здійснити плавний пуск і широке регулювання швидкості обертання двигуна.

88. АКУМУЛЯТОРНІ БАТАРЕЇ

Акумуляторні батареї комплектуються зі свинцево-кислотних або лужних акумуляторів, з яких перші набули найбільшого поширення.

Батарея стаціонарних свинцево-кислотних акумуляторів складається з акумуляторів типу С (стаціонарні для тривалих розрядних режимів) або СК (стаціонарні для коротких розрядних режимів). Акумулятори СК відрізняються від акумуляторів типу З посиленими сполучними полюсами. Цифри після літерного позначення цих акумуляторів характеризують їх ємність, розрядний та зарядний струми.

Акумулятори типу С призначені для розряду протягом від 3 до 10 годин; максимально допустимий 3-годинний розрядний струм 9 А. Акумулятори СК можуть бути розряджені у більш короткий термін – до 1 години; максимально допустимий одногодинний розрядний струм 18,5 А.

Короткочасний розрядний струм (протягом не більше 5 с) не повинен перевищувати 250 % струму тригодинного розряду для акумуляторів типу С та 250 % струму одногодинного розряду для акумуляторів типу СК.

Під час заряджання допускається максимальний зарядний струм: 9 А для акумуляторів типу С та 11 А для акумуляторів типу СК.

Величина ємності, вказана для кожного типу акумуляторів, змінюється у межах залежно від величини розрядного струму і режиму розряду.

Для стаціонарних акумуляторних батарей застосовуються свинцево-кислотні акумулятори панцирного типу СП та СПК (стаціонарні панцирні). Для переносних акумуляторних батарей використовуються свинцево-кислотні акумулятори типу СТ (стартерні).

Акумулятори лужних акумуляторів комплектуються із залізонікелевих акумуляторів типу ЖН або ТЖН.

Номер акумулятора відповідає його номінальній ємності в ампер-годиннику.

Заряд акумуляторів здійснюється струмом нормального зарядного режиму протягом 6-7 год. Допускається прискорений заряд при наступному режимі: спочатку протягом 2,5 год струмом вдвічі більше нормального, потім протягом 2 год струмом нормальної величини.

Для переносних акумуляторних батарей застосовуються залізонікелеві акумулятори ЖН 10 напругою 12,5 В; 4 ЖН-5; 5 ЖН-6,5 Ст.

Під час роботи акумулятора напруга кожного елемента зменшується. Якщо не вжити особливих заходів, то напруга на шинах акумулятора також зменшуватиметься. У зв'язку з цим у міру розряду батареї додатково до акумуляторів, що працюють, потрібно підключати нові елементи. Таким чином, акумуляторна батарея складається з деякого числа елементів, що постійно працюють, і декількох елементів, що включаються і вимикаються при необхідності. Апарат, за допомогою якого змінюється кількість діючих елементів батареї, називається елементним комутатором.

На електричних станціях та підстанціях є такі види навантажень постійного струму:

1) постійне навантаження - сигнальні та контрольні лампи на щитах управління, деякі реле захисту та автоматики та ін;

2) тимчасове навантаження - виникає у разі припинення живлення підстанції змінним трифазним струмом; складається з ламп аварійного освітлення та двигунів постійного струму;

3) короткочасне навантаження - механізми включення електричних приводів вимикачів, частина реле захисту та автоматики.

89. РЕЖИМ РОБОТИ АКУМУЛЯТОРНИХ БАТАРІВ

Застосовуються два режими роботи акумуляторних батарей: заряд-розряд и постійний підзаряд.

Режим заряд-розряд характеризується тим, що після заряду акумуляторної батареї зарядний пристрій вимикається і батарея живить постійне навантаження (лампи сигналізації, прилади управління), періодично короткочасне навантаження (електромагнітні приводи вимикачів) та аварійне навантаження. Розряджена до певної напруги батарея знову підключається до зарядного агрегату, який заряджаючи батарею, одночасно живить навантаження.

Для батареї, що працює методом заряд-розряд, один раз на три місяці проводиться зрівняльний заряд (перезарядка).

Режим постійного підзаряду ось у чому. Батарея безперервно заряджається від підзарядного агрегату, і тому вона знаходиться в будь-який момент у стані повного заряду. Поштовхові навантаження, які у мережі постійного струму, сприймає акумуляторна батарея. Один раз на місяць батарея, що працює в режимі постійного підзаряджання, повинна бути заряджена від зарядного агрегату.

Для здійснення режиму заряд-розряд застосовують схему акумулятора з подвійним елементним комутатором. Як зарядний агрегат застосований двигун-генератор. Генератор приєднаний до шин через запобіжники, автомат максимального струму з реле зворотного струму, амперметр та перемикач на два положення.

Максимальний автомат захищає генератор від навантаження.

Реле зворотного струму відключає генератор, якщо ЕРС стане менше напруги на шинах батареї. Це може статися при зменшенні швидкості обертання генератора, зникненні напруги змінного струму, що живить двигун, та інших причин. Якщо в цей час не відключити генератор, він, перейшовши в режим двигуна, стане навантаженням для батареї.

Загальна кількість акумуляторів, що з'єднуються в батарею, повинна бути такою, що навіть розряджені до мінімальної напруги елементи повинні забезпечити номінальну напругу на шинах батареї.

Якщо навантаження мережі незначне, агрегат може віддавати струм у мережу і одночасно заряджати акумуляторну батарею. Однак до кінця заряду генератор дає напругу більше, при якому зазвичай працює мережа. Якщо увімкнути в мережу реостат, то за рахунок падіння напруги в ньому можна зменшити напругу. Але це неекономічно. Простим рішенням завдання одночасної роботи генератора на мережу та на заряд є застосування у схемі двоелементного комутатора. Останній дає можливість використовувати різницю між напругою генератора та напругою мережі для заряду групи акумуляторів, приєднаних до комутатора.

Акумуляторні батареї розміщуються у спеціальному приміщенні підвального або першого поверху будівлі електростанції або підстанції. Приміщення має бути сухим, не піддається різким змінам температури, тряску або коливанням. Вхід у приміщення робиться із тамбуром. Температура приміщення на рівні розташування акумуляторів не повинна бути нижчою за 10о. Приміщення акумуляторної повинно мати припливно-витяжну вентиляцію.

90. ТЕХНІКА БЕЗПЕКИ В ЕЛЕКТРИЧНИХ ПРИСТРОЯХ

Робота на електричних установках абсолютно безпечна, якщо обслуговуючий персонал точно дотримуватиметься правил технічної експлуатації та правил безпеки. Для цього до роботи на електричних установках допускаються особи, які вивчили правила безпеки та отримали посвідчення про перевірку знань із присвоєнням кваліфікаційної групи.

Основними захисними засобами називаються пристрої, ізоляція яких надійно витримує робочу напругу установки і якими допускається торкатися струмопровідних частин, що знаходяться під напругою.

До основних ізолюючих захисних засобів в установках будь-якої напруги відносяться ізолюючі штанги для оперативних перемикань, для виробництва вимірювань, для накладання заземлення та інших цілей та ізолюючі кліщі для запобіжників, а в установках низької напруги, крім того, - діелектричні рукавички та рукавиці та монтерський інструмент з ізолюючими ручками.

Додатковими захисними засобами називаються такі пристрої, які самі по собі не можуть забезпечити безпеку від ураження струмом і служать для посилення дії основних захисних засобів, а також служать для захисту від дотику напруги, крокового напруження і від опіків електричною дугою. До додаткових захисних ізолюючих засобів в установках високої напруги відносяться: діелектричні рукавички та рукавиці, діелектричні боти, гумові килимки та доріжки, ізолюючі підставки. При всіх операціях високої напруги основні захисні засоби слід застосовувати разом із додатковими. Захисні засоби, як ті, що вживаються, так і що містяться в запасі, повинні бути занумеровані і в певні терміни їх стан повинен бути перевірений.

Ремонтні та монтажні роботи повинні виконуватись при відключеному обладнанні. Якщо ж установку з тих чи інших причин відключити не можна, то під час роботи під напругою необхідно дотримуватися правил техніки безпеки, використовуючи захисні пристрої (ізолюючі підкладки, гумові рукавички, захисні окуляри та ін.).

При роботах під високою напругою повинні бути дотримані такі запобіжні заходи:

1) роботи повинні проводитися тільки групою робітників (не менше двох), щоб один з них міг подати допомогу іншому при нещасному випадку;

2) робітники мають бути добре ізольовані від землі;

3) під час виконання робіт робітники не повинні торкатися осіб, що стоять неізольовано, а також металевих частин;

4) перед початком робіт усі захисні пристрої повинні бути ретельно перевірені самими робітниками.

Перед початком роботи в установках та обладнанні високої напруги необхідно за допомогою відповідних приладів переконатися у відсутності напруги в тій частині установки, в якій виконуватиметься робота. Потім потрібно розрядити збірні шини, кабелі трансформаторів, перевірити їх на коротке замикання, замкнути їх і надійно заземлити.

Автор: Косарєва О.А.

Рекомендуємо цікаві статті розділу Конспекти лекцій, шпаргалки:

▪ Міжнародні економічні відносини Шпаргалка

▪ Судова медицина та психіатрія. Шпаргалка

▪ Фінанси. Конспект лекцій

Дивіться інші статті розділу Конспекти лекцій, шпаргалки.

Читайте та пишіть корисні коментарі до цієї статті.

<< Назад

Останні новини науки та техніки, новинки електроніки:

Новий спосіб управління та маніпулювання оптичними сигналами 05.05.2024

Сучасний світ науки та технологій стрімко розвивається, і з кожним днем ​​з'являються нові методи та технології, які відкривають перед нами нові перспективи у різних галузях. Однією з таких інновацій є розробка німецькими вченими нового способу керування оптичними сигналами, що може призвести до значного прогресу фотоніки. Нещодавні дослідження дозволили німецьким ученим створити регульовану хвильову пластину всередині хвилеводу із плавленого кремнезему. Цей метод, заснований на використанні рідкокристалічного шару, дозволяє ефективно змінювати поляризацію світла через хвилевід. Цей технологічний прорив відкриває нові перспективи розробки компактних і ефективних фотонних пристроїв, здатних обробляти великі обсяги даних. Електрооптичний контроль поляризації, що надається новим методом, може стати основою створення нового класу інтегрованих фотонних пристроїв. Це відкриває широкі можливості для застосування. ...>>

Приміальна клавіатура Seneca 05.05.2024

Клавіатури – невід'ємна частина нашої повсякденної роботи за комп'ютером. Однак однією з головних проблем, з якою стикаються користувачі, є шум, особливо у випадку преміальних моделей. Але з появою нової клавіатури Seneca від Norbauer & Co може змінитися. Seneca – це не просто клавіатура, це результат п'ятирічної роботи розробників над створенням ідеального пристрою. Кожен аспект цієї клавіатури, починаючи від акустичних властивостей до механічних характеристик, був ретельно продуманий і збалансований. Однією з ключових особливостей Seneca є безшумні стабілізатори, які вирішують проблему шуму, характерну для багатьох клавіатур. Крім того, клавіатура підтримує різні варіанти ширини клавіш, що робить її зручною для будь-якого користувача. І хоча Seneca поки не доступна для покупки, її реліз запланований на кінець літа. Seneca від Norbauer & Co є втіленням нових стандартів у клавіатурному дизайні. Її ...>>

Запрацювала найвища у світі астрономічна обсерваторія 04.05.2024

Дослідження космосу та її таємниць - це завдання, яка привертає увагу астрономів з усього світу. У свіжому повітрі високих гір, далеко від міських світлових забруднень, зірки та планети розкривають свої секрети з більшою ясністю. Відкривається нова сторінка в історії астрономії із відкриттям найвищої у світі астрономічної обсерваторії – Атакамської обсерваторії Токійського університету. Атакамська обсерваторія, розташована на висоті 5640 метрів над рівнем моря, відкриває нові можливості для астрономів у вивченні космосу. Це місце стало найвищим для розміщення наземного телескопа, надаючи дослідникам унікальний інструмент вивчення інфрачервоних хвиль у Всесвіті. Хоча висотне розташування забезпечує більш чисте небо та менший вплив атмосфери на спостереження, будівництво обсерваторії на високій горі є величезними труднощами та викликами. Однак, незважаючи на складнощі, нова обсерваторія відкриває перед астрономами широкі перспективи для дослідження. ...>>

Випадкова новина з Архіву Рука кіборга 19.01.2015 Створено протез, який передає відчуття прямо в мозок. Протез руки, яким можна взяти, скажімо, тенісний м'ячик і відчути його волокнисту поверхню, здається предметом науково-фантастичного оповідання. А ні, прототип такого пристрою створили за десять років роботи проекту NEBIAS дослідники з Євросоюзу на чолі з доктором Сільвестро Мічеро. Вони оснастили руку протеза чутливими датчиками та розробили для неї нейрокомп'ютерний інтерфейс. Головна проблема полягала в тому, щоб забезпечити потік інформації від того чи іншого датчика саме до того нервового закінчення, яке відповідає за обробку відповідного сигналу. Зрештою, інтерфейс було створено, і протез передали на випробування Деннісу Соренсену, який втратив руку десять років тому. І він справді зміг не лише взяти м'ячик, а й відчути, що тримає його. Так прототип пройшов перші випробування. Тепер дослідники збираються запросити двох-трьох добровольців, надіти їм протези, вживити інтерфейси і подивитися, як вони поводитимуться зі штучними руками протягом кількох років. У разі успіху через п'ять-шість років можуть розпочатись масштабні клінічні випробування пристрою.

Стрічка новин науки та техніки, новинок електроніки

Цікаві матеріали Безкоштовної технічної бібліотеки:

▪ Розділ сайту Типові інструкції з охорони праці (ТОІ). Добірка статей

▪ стаття Юрген Хабермас. Знамениті афоризми

▪ У чому унікальність Франції в ІХ-ХІ? Детальна відповідь

▪ стаття Лаконіс їстівний. Легенди, вирощування, способи застосування

▪ стаття Універсальний пробник-індикатор. Енциклопедія радіоелектроніки та електротехніки

▪ стаття Заплановане підняття. Секрет фокусу

Залишіть свій коментар до цієї статті:

All languages ​​of this page

Arabic	Hebrew	Polish
Bengali	Hindi	Portuguese
Chinese	Italian	Spanish
English	Japanese	Turkish
French	Korean	Ukrainian
German	Malay	Vietnamese

Головна сторінка | Бібліотека | Статті | Карта сайту | Відгуки про сайт

www.diagram.com.ua
2000-2024