Вопросы к экзамену по дисциплине «Электротехника и электроника» Часть 1 1. Электромагнитное поле, параметры и законы. Электромагнитное поле создается зарядами. Электромагнитное поле, особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами. Параметры электромагнитного поля Электрическое поле - создаётся неподвижными электрическими зарядами. Оказывает силовое воздействие на неподвижные заряженные частицы. Напряжённость электрического поля ; ; Магнитное поле - создаётся движущимися эл. зарядами и намагниченными телами. Оказывает силовое воздействие на движущийся электрический заряд, намагниченные тела. Напряжённость магнитного поля ; . Электромагнитное поле (в форме электромагнитных волн) создаётся ускоренно движущимися электрическими зарядами, распространяется со скоростью света , в процессе распространения магнитное поле порождает электрическое и обратно. Частота колебаний электромагнитных волн определяется и совпадает с частотой колебания электрического заряда. Для ЭМП характерен перенос массы и энергии, поле оказывает давление на поглощающую поверхность. Перенос энергии характеризуется интенсивностью излучения , которая может быть выражена через параметры электрического и магнитного полей (вектор УмоваПойнтинга) . Уравнения электромагнитного поля (уравнения Максвелла) – это основные законы электромагнетизма, полностью описывающие все электромагнитные явления в макромире: процессы излучения и приема, распространения радиоволн как в свободном пространстве, так и в замкнутых системах. 2. Электрическая цепь (ЭЦ). Электрической цепью называется совокупность устройств, предназначенных для прохождения электрического тока. В общем случае цепь содержит источники электрической энергии, приемники электрической энергии, измерительные приборы, коммутационную аппаратуру и соединительные провода. Элементы цепи и их электромагнитные свойства. К идеализированным элементам относятся источник ЭДС, источник тока, резистивный элемент, индуктивный и емкостной элементы. Активными элементами считаются источники ЭДС и источники тока. К пассивным элементам относятся резистивные элементы, индуктивные и емкостные элементы. Идеальные R, L, C элементы. Для удобства анализа и расчета электрических цепей вводят в рассмотрение такие элементы, которые при всех условиях обладают только одним параметром: только сопротивлением, только индуктивностью, только емкостью. Они называются идеальными. В природе таких элементов не существует, но есть устройства, по своим свойствам близкие к идеальным. Реостат (резистор) при низких частотах обладает практически только сопротивлением R, а индуктивностью L и емкостью С этого устройства можно пренебречь. Катушка индуктивности на замкнутом ферромагнитном сердечнике с малыми тепловыми потерями в нем обладает на низких частотах практически только индуктивностью L, а сопротивлением R и емкостью С такой катушки можно пренебречь. Конденсатор с малыми внутренними тепловыми потерями обладает практически только емкостью С, а его активной проводимостью G и индуктивностью L можно пренебречь. Любое реальное электротехническое устройство можно изобразить в виде электрической схемы, состоящей из комбинации идеальных элементов и произвести его электрический расчет. 3. Параметры режима работы ЭЦ Электрическая цепь в зависимости от значения сопротивления нагрузки R может работать в различных характерных режимах: номинальном; Номинальный режим – это основной режим, на который рассчитана электрическая цепь заводом-изготовителем по условиям длительной гарантированной работы. согласованном; Согласованным называется режим, при котором мощность, отдаваемая источником или потребляемая приемником, достигает максимального значения. Это возможно при определенном соотношении (согласовании) параметров электрической цепи, откуда и вытекает название данного режима. холостого хода; Под режимом холостого хода понимается такой режим, при котором приемник отключен от источника. При этом источник не отдает энергию во внешнюю цепь, а приемник не потребляет ее. короткого замыкания. Режимом короткого замыкания называется режим, возникающий при соединении между собой выводов источника, приемника или соединительных проводов, а также иных элементов электрической цепи, между которыми имеется напряжение. При этом сопротивление в месте соединения оказывается практически равным нулю. 4. Законы ЭЦ При анализе простых и сложных цепей широко используются законы Ома, Кирхгофа, Джоуля Ленца, Фарадея, Ампера. Существует 2 законы Ома: 1. Для участка цепи 2. Для полной цепи Ток в участке цепи прямопропорционален напряжению на данном участке и обратно пропорционален сопротивлению на данном участке: илиU=I*R Произведение тока участка цепи на величину сопротивления называют падением на данном участке. Ток в электрической цепи прямопропорционален ЭДС источника и обратно пропорционален сумме сопротивлений, которые состоят из внутреннего сопротивления источника питания и внешнего. Существует 2 закона Кирхгофа: Первый закон Кирхгофаприменяется для узла электрической цепи (точки, где сходятся три и более ветви). Формулируется он следующим образом: алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна 0. Второй закон Кирхгофасправедлив для контура электрической цепи (любого замкнутого пути, образованного одной или более ветвями) и формулируется следующим образом:в любом замкнутом контуре электрической цепи алгебраическая сумма падений напряжений на участках цепи, входящих в этот контур, равна алгебраической сумме ЭДС в нем: Закон Джоуля-Ленцапозволяет определить количество тепловой энергии, которая выделяется на сопротивлениеrпри протекании по нему электрического токаI. Математическая запись этого закона имеет вид: W= Для характеристики скорости превращения электрической энергии в тепловую используют мощность, выражение для которой можно получить из закона Джоуля-Ленца: P=W/t= r= /r=UI Закон электромагнитной индукции Фарадея устанавливает связь между индуктированием ЭДС в электрических цепях и изменением магнитного потока, пронизывающего поверхность, ограниченную контуром цепи, или индуктированием ЭДС в проводнике при пересечении им магнитного поля. В соответствии с этим законом ЭДС, индуктируемая в цепи при изменении магнитного потока Ф, проходящего через поверхность, ограниченную контуром, равна скорости изменения магнитного потока, взятой с отрицательным знаком: E=-dФ/dt 5. Расчет линейных ЭЦ постоянного тока 6. Параметры синусоидального режима работы ЭЦ 7. Представление параметров синусоидального режима работы ЭЦ в форме комплексных чисел 8. Представление R-, L-, C- параметров элементов схемы в форме комплексных чисел 9. Расчет линейной ЭЦ в синусоидальном режиме 10. Расчет линейной ЭЦ в несинусоидальном периодическом режиме 11. Расчет переходных процессов в линейных ЭЦ Переходный процесс– процесс, возникающий в электрической цепи при переходе от одного установившегося режима к другому. Переходный процесс возникает в электрической цепи в результате коммутаций. Коммутации– действия, вызывающие переходный процесс в электрической цепи отключение или включение источников, отдельных ветвей, изменение параметров цепи, изменение фазы, частоты, амплитуды напряжения и тока и др. 12. Трехфазные ЭЦ и режимы их работы Трехфазная цепь – это совокупность трех электрических цепей, в которых действуют синусоидальные ЭДС, одинаковые по амплитуде и частоте, 2π сдвинутые по фазе одна от другой на угол =120° и создаваемые общим 3 источником энергии. При работе трехфазных цепей различают симметричные и несимметричные режимы работы. При симметричном режиме работы сопротивления фаз приемника должны иметь одинаковую величину и одинаковый характер (например, чисто активный или активно–индуктивный с одинаковыми коэффициентами мощности и т. д.). При несимметричном режиме работы сопротивление фаз приемника могут отличаться как по величине, но отличаются по характеру. Такая нагрузка называется равномерноразнородная. 13. Характеристики и параметр нелинейных элементов. Нелинейный элемент это элемент электрической цепи, параметры которого зависят от определяющих их величин (сопротивление резистивного элемента от тока и напряжения, ёмкость емкостного элемента от заряда и напряжения, индуктивность индуктивного элемента от магнитного потока и электрического тока). Нелинейные индуктивные элементы Типичными динамическими нелинейными элементами электрической цепи являются катушки с сердечниками из ферромагнитных материалов – сплавов на основе металлов группы железа или их оксидов – ферритов. Нелинейность таких элементов обусловлена характеристикой намагничивания материала сердечника B(H). Нелинейные емкостные элементы Нелинейные емкостные элементы могут служить моделями конденсаторов, диэлектрическая проницаемость e которых является функцией от напряженности электрического поля E в диэлектрике. Такие емкостные элементы описываются нелинейной вольт-кулоновой характеристикой – зависимостью заряда q от приложенного напряжения u. Нелинейные резисторы. Физические явления, обуславливающие нелинейную (непропорциональную) связь между напряжением и током резистивных элементов, весьма разнообразны. С точки зрения особенностей расчета режимов в цепях с такими элементами можно привести следующую классификацию нелинейных резистивных элементов и их характеристик. Различают нелинейные резистивные элементы с симметричными (рис. 27.1, а) и несимметричными (рис. 27.1, б) вольтамперными характеристиками. Первые имеют одинаковые свойства при протекании тока в прямом и обратном направлениях и описываются нечетно-симметричной характеристикой i(– u) = – i(u). Типичным для элементов этой группу являются варисторы, характер проявления нелинейности которых не зависит от полярности напряжения и тока. Вторые проявляют различные свойства при протекании токов прямого и обратного направлений и имеют несимметричные характеристики. К ним относятся диоды всех типов. Нелинейные элементы характеризуются статическими (Rст, Lст, и Cст) и дифференциальными (Rд, Lд, и Cд) параметрами. Статические параметры нелинейного элемента определяются как отношение ординаты выбранной точки характеристики к её абсциссе параметры резистивного, индуктивного и емкостного элементов будут иметь следующий вид: u ψ q Rст = i , Lст = i , Cст =u . дифференциальные параметры нелинейного элемента определяются как отношение малого приращения ординаты выбранной точки характеристики к малому приращению её абсциссы. дифференциальные параметры резистивного, индуктивного и емкостного элементов будут иметь следующий вид: du dψ dq Rдиф = di , Lдиф = di , Cдиф = du 14. Методы расчета нелинейных ЭЦ система нелинейных уравнений может быть решена следующими методами: графическими; При использовании этих методов задача решается путем графических построений на плоскости. аналитическими; Суть аналитического метода заключается в составлении и решении нелинейной системы уравнений Кирхгофа. графо-аналитическими; итерационными. Часть 2 1. Полупроводники. Собственная проводимость полупроводников Полупроводники — это материалы, электрические свойства которых, в частности электрическое сопротивление, могут быть изменены в довольно широком диапазоне, в основном путем введения легирующих добавок, а также путем нагревания, освещения и т.д. 2. Проводимость полупроводников p-и n – типов 3. Физические процессы в p-n - структуре в равновесном и неравновесных режимах работы. 4. Вольтамперная характеристика (ВАХ) p-n структуры. 5. Устройство, принцип действия, параметры и характеристики (УПДПХ) выпрямительного диода. 6. УПДПХ стабилитронов 7. УПДПХ фоторезисторов 8. УПДПХ фотодиодов 9. УПДПХ светодиодов 10. Устройство биполярных транзисторов (БПТ). Режимы их работы. 11. Включение БПТ по схеме с общим эмиттером (ОЭ) 12. Включение БПТ по схеме с общим коллектором ( ОК) 13. Включение БПТ по схеме с общей базой (ОБ) 14. Входная и выходная ВАХ БПТ при включении по схеме с ОЭ 15. Входная и выходная ВАХ БПТ при включении по схеме с ОБ 16. Параметры БПТ 17. Модель Эберса-Молла БПТ 18. Работа БПТ в режиме малого сигнала 19. Электрическая модель БПТ при работе в режиме малого сигнала 20. Устройство и принцип действия ПТ с управляющим p-n переходом 21. Проходная и выходная ВАХ ПТ с управляющим p-n переходом 22. Устройство и принцип действия ПТ МДП-типа 23. Проходная и выходная ВАХ ПТ МДП-типа с индуцированным (встроенным) каналом 24. Характеристики и параметры стабилизаторов напряжения. Параметрический стабилизатор. 25. Схема, принцип действия , параметры (СПДП) однофазного выпрямителя без фильтра 26. СПДП однофазного выпрямителя с индуктивным фильтром 27. СПДП однофазного выпрямителя с емкостным фильтром 28. Виды, характеристики и параметры усилителей 29. СПДП простейшего усилителя постоянного тока 30. СПДП простейшего усилителя переменного тока 31. Обратная связь в усилителях. Их влияние на параметры усилителя 32. Структура и параметры операционных усилителей 33. Электронные устройства на основе операционного усилителя сигналов