Электрические аппараты управления и распределительных устройств низкого напряжения

Электрические аппараты высокого напряжения (АВН)

По функциональному признаку АВН делятся на следующие виды:

§ коммутационные аппараты (выключатели, выключатели нагрузки, разъединители);

§ измерительные аппараты (трансформаторы тока и напряжения, делители напряжения);

§ ограничивающие аппараты (предохранители, реакторы, разрядники, нелинейные ограничители перенапряжений);

§ компенсирующие аппараты (управляемые и неуправляемые шунтирующие реакторы);

§ комплектные распределительные устройства.

Аппараты управления предназначены для управления режимом работы электрооборудования и подразделяются на следующие виды:

§ контакторы;

§ пускатели;

§ контроллеры;

§ электрические реле управления;

§ командоаппараты;

§ рубильники;

§ электромагниты управления;

§ электроуправляемые муфты.

Аппараты распределительных устройств предназначены для защиты электрооборудования в различных аварийных режимах (токи перегрузки и короткого замыкания, недопустимое снижение напряжения, токи утечки на землю при повреждении изоляции, обратные токи и т. п.). Эти аппараты подразделяются на автоматические выключатели и низковольтные предохранители.

Конструктивно законченные электротехнические компоненты: электрические разъёмы (розетка, вилка), пускорегулирующие аппараты светотехники, генераторы импульсов спец. формы, блоки контроля параметров сетевого напряжения и др.

Электрические аппараты автоматики Для реализации электрических аппаратов автоматики используются разнообразные физические принципы. По назначению они классифицируются следующим образом:

§ первичные преобразователи (датчики);

§ распределители (коммутаторы);

§ сумматоры, логические элементы, регулирующие органы;

§ исполнительные аппараты (электрические реле автоматики, электрогидровентили, электрогидрокраны, электроклапаны, магнитные опоры и подвесы, задвижки, толкатели и др.);

§ электричекие реле автоматики (герметизированные магнитоуправляемые контакты (герконы) и др.).

§ релейные аппараты с механическим управлением (входом) и электрическим выходом (кнопки, ключи, клавиатуры, тумблеры, микровыключатели).

Подгруппа и вид ИС	Буквенное обозначение	Подгруппа и вид ИС	Буквенное обозначение
Усилители: высокой частоты операционные повторители широкополосные импульсных сигналов низкой частоты постоянного тока прочие	УВ УД УЕ УК УИ УН УТ УП	Преобразователи: цифро-аналоговые аналогово-цифровые умножители частоты делители частоты мощности напряжения перемножители сигналов	ПА ПВ ПЕ ПК ПМ ПН ПС
Фильтры: верхних частот полосовые нижних частот режекторные прочие	ФВ ФЕ ФН ФР ФП	Вторичные источники питания: выпрямители стабилизаторы напряжения импульсные стабилизаторы напряжения непрерывные стабилизаторы тока преобразователи прочие	ЕВ ЕК ЕН ЕТ ЕМ ЕП
Генераторы: гармонических сигналов сигналов специальной формы линейно изменяющихся сигналов прочие	ГС ГФ ГЛ ГП
Ключи и коммутаторы: напряжения тока прочие	КН КТ КП

§ Схемотехника, научно-техническое направление, охватывающее проблемы проектирования и исследованиясхем электронных устройств радиотехники и связи, вычислительной техники, автоматики и др. областей техники. Основная задача С. — синтез (определение структуры) электронных схем, обеспечивающих выполнение определённых функций, и расчёт параметров входящих в них элементов. Термин "С." появился в 60-х гг. 20 в. в связи с разработкой унифицированных схем, пригодных одновременно для многих применений.

§ На основе электронной схемы создают соответствующее устройство (входящее в состав некоторой технической системы). К устройству предъявляется требование надёжной работы в течение заданного времени в реальных условиях производственного разброса параметров элементов и их старения, влияния внешней среды и возмущающих воздействий. Поэтому при разработке схем наряду с расчётом номинальных значений параметров элементов необходимо рассчитывать эксплуатационные допуски на них, предусматривать в схеме средства, повышающие надёжность устройства (обеспечивающие устойчивую работу схемы при внешних воздействиях), а также позволяющие контролировать его исправность.

3)

Электрические свойства "p-n" перехода

"p-n" переход (или электронно-дырочный переход) - область контакта двух полупроводников, где происходит смена проводимости с электронной на дырочную (или наоборот).

В кристалле полупроводника введением примесей можно создать такие области. В зоне контакта двух полупроводников с различными проводимостями будет проходить взаимная диффузия. электронов и дырок и образуется запирающий электрический слой.Электрическое поле запирающего слоя препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок через границу. Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с другими областями полупроводника.

Внешнее электрическое поле влияет на сопротивление запирающего слоя.
При прямом (пропускном) направлении внешнего эл.поля эл.ток проходит через границу двух полупроводников.
Т.к. электроны и дырки движутся навстречу друг другу к границе раздела, то электроны, переходя границу, заполняют дырки. Толщина запирающего слоя и его сопротивление непрерывно уменьшаются.

Пропускной режим р-n перехода:

При запирающем (обратном) направлении внешнего электрического поля электрический ток через область контакта двух полупроводников проходить не будет.
Т.к. электроны и дырки перемещаются от границы в противоположные стороны, то запирающий слой утолщается, его сопротивление увеличивается.

Запирающий режим р-n перехода:

Таким образом, электронно-дырочный переход обладает односторонней проводимостью.

Полупроводниковые диоды

Полупроводник с одним "p-n" переходом называется полупроводниковым диодом.

При наложении эл.поля в одном направлении сопротивление полупроводника велико,
в обратном - сопротивление мало.

Полупроводниковые диоды основные элементы выпрямителей переменного тока.

Полупроводниковые транзисторы

- также используются свойства" р-n "переходов,

- транзисторы используются в схемотехнике радиоэлектронных приборов.

4)

П/п.диодом наз-ся двухэлектродный прибор, осно-ву которого сост p-n-структура с р и n обл-ми раздел-ми ЭДП. При произв-ве диодов,одну из обл легируют >,и она имеет > конц осн носит заряда (обычно p-обл) и обозн как р⁺. Эту обл наз-ют- эмиттером,а другую – базой.

р-n-перех с неодинак-ой конц примесей наз-ся несимметричным и обозн (р⁺-n).

Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают npn и pnp транзисторы (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от других разновидностей, основными носителями являются и электроны, и дырки (от слова «би» — «два») Полевой транзистор — полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным сигналом.

Протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому такие приборы часто включают в более широкий класс униполярных электронных приборов (в отличие от биполярных).

Тири́стор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния: закрытое состояние, то есть состояние низкой проводимости, и открытое состояние, то есть состояние высокой проводимости.

Тиристор можно рассматривать как электронный выключатель (ключ). Основное применение тиристоров — управление мощной нагрузкой с помощью слабых сигналов, а также переключающие устройства. Существуют различные виды тиристоров, которые подразделяются, главным образом, по способу управления и по проводимости. Различие по проводимости означает, что бывают тиристоры, проводящие ток в одном направлении (например тринистор, изображённый на рисунке) и в двух направлениях (например, симисторы, симметричные динисторы).

Тиристор имеет нелинейную вольт-амперную характеристику (ВАХ) с участком отрицательного дифференциального сопротивления. По сравнению, например, с транзисторными ключами, управление тиристором имеет некоторые особенности. Переход тиристора из одного состояния в другое в электрической цепи происходит скачком (лавинообразно) и осуществляется внешним воздействием на прибор: либо напряжением (током), либо светом (для фототиристора). После перехода тиристора в открытое состояние он остаётся в этом состоянии даже после прекращения управляющего сигнала, если протекающий через тиристор ток превышает некоторую величину, называемую током удержания.

Типичная ВАХ тиристора, проводящего в одном направлении (с управляющими электродами или без них), приведена на рис 2. Она имеет несколько участков:

§ Между точками 0 и 1 находится участок, соответствующий высокому сопротивлению прибора — прямое запирание.

§ В точке 1 происходит включение тиристора.

§ Между точками 1 и 2 находится участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

§ Участок между точками 2 и 3 соответствует открытому состоянию (прямой проводимости).

§ В точке 2 через прибор протекает минимальный удерживающий ток I_h.

§ Участок между 0 и 4 описывает режим обратного запирания прибора.

§ Участок между 4 и 5 — режим обратного пробоя.

Вольтамперная характеристика симметричных тиристоров отличается от приведённой на рис. 2 тем, что кривая в третьей четверти графика повторяет участки 0—3 симметрично относительно начала координат.

По типу нелинейности ВАХ тиристор относят к S-приборам.

5) Вакуумные электронные приборы. Физические основы приборов, диоды, триоды, тетроды и пентоды

Электровакуумными приборами (ЭВП) называют приборы, в которых рабочее пространство, изолированное газонепроницаемой оболочкой, имеет высокую степень разрежения или заполнено специальной средой (пары или газы) и действие которых основано на использовании электрических явлений в вакууме или газе.

Под вакуумом следует понимать состояние газа, в частности воздуха, при давлении ниже атмосферного. Если электроны движутся в пространстве свободно, не сталкиваясь с оставшимися после откачки газа молекулами, то говорят о высоком вакууме.

Электровакуумные приборы делятся на электронные, в которых течет чисто электронный ток в вакууме, и ионные (газоразрядные), для которых характерен электрический разряд в газе (или парах). В электронных приборах ионизация практически отсутствует, а давление газа менее 100 мкПа (высокий вакуум). В ионных приборах давление 133 • 10^-3 Па (10^-3 мм рт. ст.) и выше. При этом значительная часть движущихся электронов сталкивается с молекулами газа и ионизирует их.

Есть еще группа проводниковых (безразрядных) ЭВП. К ним относятся лампы накаливания, стабилизаторы тока (бареттеры), вакуумные конденсаторы и др.

Особую группу ЭВП составляют электронные лампы, предназначенные для различных преобразований электрических величин. Эти лампы бывают генераторными, усилительными, выпрямительными, частотно-преобразовательными, детекторными, измерительными и др. Большинство их рассчитано на работу в непрерывном режиме. Выпускаются лампы и для импульсного режима. В них протекают кратковременные токи — электрические импульсы.

В зависимости от рабочих частот электронные лампы подразделяются на низко-, высоко- и сверхвысокочастотные.

Электронные лампы, имеющие два электрода — катод и анод, называются диодами. Диоды для выпрямления переменного тока в источниках питания называются кенотронами. Лампы, имеющие помимо катода и анода электроды в виде сеток, с общим числом электродов от трех до восьми, — это соответственно триод, тетрод, пентод, гексод, гептод и октод. При этом лампы с двумя и более сетками называются многоэлектродными. Если лампа содержит несколько систем электродов с независимыми потоками электронов, то ее называют комбинированной (двойной диод, двойной триод, триод — пентод, двойной диод — пентод и др.).

Основные ионные приборы — это тиратроны, стабилитроны, лампы со знаковой индикацией, ионные разрядники и др.

Большую группу составляют электронно-лучевые приборы, к которым относятся кинескопы (приемные телевизионные трубки), передающие телевизионные трубки, осциллографические и запоминающие трубки, электронно-оптические преобразователи изображений, электронно-лучевые переключатели, индикаторные трубки радиолокационных и гидроакустических станций и др.

В группу фотоэлектронных приборов входят электровакуумные фотоэлементы (электронные и ионные) и фотоэлектронные умножители. К электроосветительным приборам следует отнести лампы накаливания, газоразрядные источники света и люминесцентные лампы.

Особое место занимают рентгеновские трубки, счетчики элементарных частиц и другие специальные приборы.

Электровакуумные приборы классифицируются еще по типу катода (накаленный или холодный), по материалу и устройству баллона (стеклянный, металлический, керамический, комбинированный), по роду охлаждения (естественное, или лучистое, и принудительное — воздушное, водяное, паровое).

Главное назначение диодов — выпрямление переменного тока. Иногда диоды применяются для генерации шумов, т. е. беспорядочно изменяющихся токов и напряжений, для ограничения электрических импульсов и т. д.

Диод имеет два электрода в стеклянном, металлическом или керамическом баллоне с вакуумом. Один электрод — это накаленный катод, служащий для эмиссии (испускания) электронов. Другой электрод. — анод — принимает электроны, испускаемые катодом. Катод и анод вакуумного диода аналогичны эмиттеру и базе полупроводникового диода. Анод притягивает электроны, если он имеет положительный относительно катода потенциал. Между анодом и катодом образуется электрическое поле, которое при положительном потенциале анода является ускоряющим для электронов. Электроны, вылетающие из катода, под действием поля движутся к аноду.

Простейший катод делают в виде проволочки, которая накаливается током. Такие катоды называют катодами прямого или непосредственного накала. Большое распространение получил катод косвенного накала (подогревный). Это металлический цилиндр, поверхность которого покрыта активным слоем, эмитирующим электроны. Внутри цилиндра находится подогреватель в виде проволочки, накаливаемой током. В наиболее распространенной цилиндрической конструкции диода (рис. 15.1) анод имеет форму цилиндра.

Цепи диода с катодом косвенного накала показаны на рис. 15.2. Основной является анодная цепь (цепь анода). В нее входят анодный источник Е_а и пространство между анодом и катодом.

Все электроны, вылетающие из катода, образуют ток эмиссии

I_e = Nq, (15.1)

где N — число электронов, вылетающих за 1 с; q — заряд электрона.

Между анодом и катодом образуется отрицательный заряд, называемый объемным или пространственным и препятствующий движению электронов к аноду. При недостаточном положительном потенциале анода не все электроны могут преодолеть действие объемного заряда и часть их возвращается на катод.

Электроны, ушедшие с катода безвозвратно, определяют катодный ток (ток катода), обозначаемый I _к или i_K:

i_K = nq<I_e, (15.2)

где п — число электронов, ушедших за 1 с с катода и не возвратившихся.

Рис. 15.1. Цилиндрическая конструкция электродов диода

Рис. 15.2. Цепи диода с катодом косвенного накала

Рис. 15.3. Упрощенные схемы с диодами

Чем выше потенциал анода, тем больше электронов преодолевает объемный заряд и уходит к аноду, т. е. тем больше катодный ток.

Поток электронов, летящих от катода к аноду и попадающих на анод, называют анодным током (током анода). Он протекает в анодной цепи и обозначается I _а или i _a В диоде катодный и анодный токи равны друг другу:

i _a = i _к. (15.3)

Анодный ток является главным током электронной лампы. Электроны этого тока движутся внутри лампы от катода к аноду, а вне лампы — от анода к плюсу анодного источника, затем внутри него и от минуса источника к катоду лампы.

При изменении положительного потенциала анода изменяется катодный ток и равный ему анодный ток. В этом заключается электростатический принцип управления анодным током.

Если потенциал анода отрицателен по отношению к катоду, то поле между анодом и катодом тормозит электроны, вылетающие из катода, и возвращает их на катод. В этом случае катодный и анодный токи равны нулю.

Основное свойство диода — способность проводить ток в одном направлении. Электроны могут двигаться только от накаленного катода к аноду, имеющему положительный потенциал. Если же на аноде отрицательный относительно катода потенциал, то диод заперт, т. е. он размыкает цепь. Такой анод отталкивает электроны, а сам он не накален и не испускает электронов. Диод обладает односторонней проводимостью и подобно полупроводниковому диоду может выпрямлять переменный ток. В отличие от полупроводникового диода в вакуумном при обратном напряжении обратный ток практически отсутствует.

Анодный ток составляет доли миллиампера в самых маломощных диодах, применяемых в радиоприемниках или измерительной аппаратуре. В более мощных диодах (кенотронах), работающих в выпрямительных установках для питания аппаратуры, анодный ток достигает сотен миллиампер и более.

Разность потенциалов между анодом и катодом называют анодным напряжением (напряжением анода) и обозначают U_a или u _а.

В практических схемах, когда в анодную цепь включена нагрузка, на которой падает часть напряжения анодного источника, анодное напряжение меньше E _а. Нередко возникают ошибки от того, что напряжение анодного источника E _а неправильно называют анодным напряжением. Но они равны только в том случае, когда зажимы анодного источника непосредственно присоединены к аноду и катоду лампы (см. рис. 15.2). Положительное анодное напряжение у маломощных диодов составляет доли вольта или единицы вольт. У кенотронов средней мощности оно достигает десятков вольт, а у мощных кенотронов сотен вольт и более.

Условились принимать потенциал катода за нулевой, так как от катода электроны начинают свое движение. Потенциал любого электрода определяют относительно катода. У катода прямого накала за точку нулевого потенциала принимают минус источника накала.

Второй цепью диода является цепь накала. Она состоит из источника E _н и подогревателя (или катода прямого накала). Ток накала обозначают I _н, а напряжение накала, т. е. напряжение между выводами подогревателя (или катода прямого накала), обозначают U _н. Напряжение накала всегда низкое — единицы, реже десятки вольт. Ток накала у маломощных ламп составляет десятки миллиампер, а у мощных — до десятков и даже сотен ампер. Во многих схемах вывод катода соединяют с корпусом (рис. 15.3, а, б) аппаратуры.

Триоды имеют третий электрод — управляющую сетку, называемую обычно просто сеткой и расположенную между анодом и катодом. Она служит для электростатического управления анодным током. Если изменять потенциал сетки, то изменяется электрическое поле и вследствие этого изменяется катодный ток лампы.

Катод и анод у триодов такие же, как у диодов. Сетка в большинстве ламп выполняется из проволоки. Катод, сетка и анод электровакуумного триода аналогичны соответственно эмиттеру, базе и коллектору биполярного транзистора или истоку, затвору и стоку полевого транзистора.

Все, что относится к сетке, обозначается символами с индексом g (от английского слова grid — сетка).

Триод имеет цепи накала и анода, подобные таким же цепям диода, и цепь сетки (рис. 15.4), состоящую из промежутка катод — сетка внутри лампы и источника сеточного напряжения Е_g. В практических схемах в цепь сетки включают еще и другие элементы.

Разность потенциалов между сеткой и катодом называется сеточным напряжением (напряжением сетки) и обозначается U_g или и_g. При положительном напряжении сетки часть электронов попадает на сетку и в ее цепи возникает сеточный ток (ток сетки), обозначаемый 1_g или i_g. Часть триода, состоящая из катода, сетки и пространства между ними, подобна диоду.

Рис. 15.4. Токи в цепях триода

Основной и полезный ток в триоде — анодный. Он аналогичен коллекторному току биполярного транзистора или току стока полевого транзистора. Сеточный ток, аналогичный току базы транзистора, бесполезен и даже вреден. Во многих случаях сеточный ток уничтожают. Для этого напряжение сетки должно быть отрицательным. Тогда сетка отталкивает электроны. Возможность уничтожения вредного сеточного тока существенно отличает триод от биполярного транзистора, который всегда работает с током базы.

В проводе катода протекает суммарный ток, который называется катодным током:

i_к = i_a + i_g. (15.4)

Катодный ток аналогичен эмиттер-ному току биполярного транзистора или току истока полевого транзистора. В триоде катодный и анодный токи равны только при и_g < 0, так как в этом случае i_g = 0.

Подобно диодам триоды обладают односторонней проводимостью. Но для выпрямления переменного тока их применять нет смысла, так как диоды проще по конструкции. Возможность управления анодным током с помощью сетки определяет основное назначение триодов — усиление электрических колебаний. Триоды применяются также для генерации электрических колебаний различной частоты.

Тетро́д — электронная лампа, имеющая 4 электрода: термоэлектронный катод (прямого или косвенного накала), 2 сетки (управляющую и экранирующую) и анод. Изобретён Вальтером Шоттки в 1919. Приёмо-усилительные тетроды применялись в радиоприёмных трактах до массового распространения пентодов. Генераторные и модуляторные тетроды применяются по сей день в силовых каскадах радиопередатчиков. Лучевые тетроды нашли применение в выходных каскадах УНЧ и до сих пор широко используются в гитарных усилителях (реже — в высококачественных УНЧ). Особый класс приборов — электрометрические тетроды также имеют две сетки, но принципиально отличаются от обычных тетродов и конструктивно, и в практическом применении.

Пенто́д - вакуумная электронная лампа с экранирующей сеткой, в которой между экранирующей сеткой и анодом размещена третья (защитная или антидинатронная) сетка, подавляющая динатронный эффект. Как правило, в лампах прямого накала третья сетка соединяется со средней точкой катода, в лампах косвенного накала — с любой точкой катода. В большинстве пентодов третья сетка и катод соединены внутри баллона, поэтому у них всего четыре сигнальных вывода. В исторической литературе пентодами в строгом смысле именовались именно такие, четырёхвыводные лампы, а пентоды с отдельным выводом третьей сетки именовались «трёхсеточными лампами». По конструкции и назначению пентоды делятся на четыре основные типа: маломощные усилители высоких частот, выходные пентоды для видеоусилителей, выходные пентоды усилителей низких частот, и мощные генераторные пентоды.

Экранированные лампы, — тетрод и пентод, — превосходят триод на высоких частотах. Верхняя рабочая частота пентодного усилителя может достигать 1 ГГц. Пентод выгодно отличается от тетрода отсутствием ниспадающего участка вольт-амперной характеристики, устойчивостью к самовозбуждению и меньшими нелинейными искажениями^[4]. Пентодам свойственно высокое выходное сопротивление — в бо́льшей части рабочих анодных напряжений пентоды эквивалентны управляемым источникам тока. Коэффициент полезного действия усилителя мощности на пентодах (около 35 %) существенно выше, чем у усилителя на триодах (15 %-25 %), но несколько ниже, чем у усилителя на лучевых тетродах.

Недостатки пентодов (и вообще всех экранированных ламп) — более высокие, чем у триода, нелинейные искажения, в которых преобладают нечетные гармоники, острая зависимость коэффициента усиления от сопротивления нагрузки, бо́льший уровень собственных шумов.

Дата добавления: 2015-05-06