Тема : Основы электрорадиотехники.

Цель : Ознакомить л/с с.переменным током и его параметрами активным индуктивным и емкостным сопротивлением и трансформаторами

Метод : рассказ, объяснение.

Место : класс

Учебные вопросы : 1. Переменный ток и его параметры.

  1. Понятие об активном, индуктивном и емкостном сопротивлении и их зависимость от частоты переменного тока.
  2. Трансформаторы.

Руководство, пособия : «Основы радиотехники и радиолокации»

 

Действия руководителя и обучаемых. Методика проведения занятия:

— строю л/с, проверяю внешний вид;

— проверяю готовность к занятию;

— объявляю тему, цель, учебные вопросы;

— напоминаю меры безопасности.

 

Подчеркнутое необходимо дать под запись остальное на усмотрение руководителя занятия!!!

Переменным электрическим током называется такой ток, который с течением времени меняется по направлению и по величине.

Для получения наглядного представления о переменных токах последние принято изображать графически в так называемой декартовой системе координат. Эта система координат представляет собой две взаимно перпендикулярные оси, одна из которых горизонтальная, а другая вертикальная. На вертикальной оси откладывают в определенном масштабе значения силы тока, а на горизонтальной — моменты времени, в которые ток достигает этих значений.

При построении графиков положительные величины, соответствующие одному направлению тока, откладывают вверх от горизонтальной оси, а отрицательные величины, соответствующие другому направлению тока, откладывают вниз от горизонтальной оси.

Если мы соединим конечные точки отрезков, изображающих силу тока для каждого момента времени, то получим график (кривую) изменения переменного тока.

Зарисовываю график объясняю

Ток, изменяющийся только по величине при неизменном направлении, называется пульсирующим.

Зарисовываю объясняю

Переменный ток, величина и направление которого изменяются по закону синуса, называется гармоническим или синусоидальным. На практике также встречается переменный ток, у которого изменяется только направление, а величина остается постоянной. Постоянным называется такой ток, у которого не изменяется ни величина ни направление.

Формы изменения токов могут быть самыми разнообразными.

Параметрами переменного тока называются такие постоянные величины, которые полностью характеризуют собой процесс изменения тока. К параметрам тока относятся период тока или его частота и амплитуда.

Периодом переменного тока (обозначается буквой Т) называется отрезок времени, в течение которого ток или электродвижущая сила совершает свое полное изменение по силе как в одном, так и другом направлениях. Другими словами, период — это время одного полного колебания, т. е. изменения тока. Период исчисляется обычно долями секунды, микросекундами и т.д. Частота переменного тока — это число периодов (колебаний) переменного тока, совершенных за время в одну секунду.

Частота переменного тока обозначается буквой f и исчисляется в период за секунду или герцах (гц, Hz).

В радиотехнике, где частота применяемых переменных токов очень велика, она исчисляется в тысячах герц или килогерцах (кгц, kHz), а при частотах, используемых в радиолокации, — в миллионах герц или мегагерцах (Мгц, MHz).

Для питания радиолокационных станций используются обычно переменные токи частоты 50-60 гц, а в некоторых случаях используются переменные токи повышенной частоты порядка 800-2000 гц.

Совершенно очевидно, что частота и период есть величины обратно пропорциональные друг другу. Зависимость между этими двумя величинами выражается следующей формулой:

Основы электро-радиотехники. Занятие 2. План-конспект

где fчастота;

Т — период.

С увеличением знаменателя (Т) частное (f) уменьшается и наоборот.

Амплитудой переменного тока называется то наибольшее значение его, которого достигает ток или напряжение дважды за время одного периода, т. е. в положительном и отрицательном полупериодах. Амплитудное значение переменного тока обозначается через Im.

Зная численное значение периода тока Т и амплитуды Im, можно построить график синусоидального тока и найти все его промежуточные мгновенные значения.

Если все амплитуды тока во всех периодах равны между собой, то такой ток называют незатухающим. Если амплитуды тока постепенно убывают, то такой ток называют затухающим.

 

Под электрическим сопротивлением понимают, как нам уже известно, то препятствие, которое оказывается материалом проводника прохождению электрического тока.

До сих пор при рассмотрении цепей постоянного тока мы встречались с одним видом сопротивления, с так называемым омическим или активным сопротивлением.

Под омическим или активным сопротивлением понимается такое сопротивление, в котором расходуется мощность источника электрической энергии.

Так, например, при включении в цепь постоянного тока обычного сопротивления или катушки ток в цепи не прекращался, а величина его определялась величиной их омического сопротивления R; при включении же конденсатора ток в цепи после его заряда прекращался, ибо конденсатор своим диэлектриком разрывает цепь или, как говорят, оказывает бесконечно большое сопротивление прохождению постоянного тока.

В цепи переменного тока мы встречаемся с двумя другими видами сопротивлений: индуктивным сопротивлением xL и емкостным сопротивлением xC.

Индуктивным сопротивлением называется сопротивление, оказываемое переменному току катушкой.

Емкостным сопротивлением называется сопротивление, оказываемое переменному току конденсатором.

При включении катушки в цепь, по которой проходит переменный ток, величина тока резко уменьшается по сравнению с тем его значением, какое он бы имел при включении катушки в цепь постоянного тока. Это означает, что катушка, кроме омического, внесла в цепь еще какое-то дополнительное сопротивление, которое и называется индуктивным сопротивлением.

Выше указывалось, что включение конденсатора в цепь постоянного тока приводит к размыканию цепи и прекращению движения тока, т. е. постоянный ток через конденсатор не проходит. Если же конденсатор включить в цепь переменного тока, то ток цепи не прекратится, но величина его изменится.

Это значит, что конденсатор «пропускает» переменный ток, но оказывает ему определенное конечное сопротивление, которое и называется емкостным сопротивлением.

Предположим, что мы имеем цепь переменного тока с одним активным сопротивлением. Так как для мгновенных значений переменного тока применимы законы и формулы постоянного тока, то в любой момент времени величина тока в цепи будет определяться по закону Ома, т.е. Основы электро-радиотехники. Занятие 2. План-конспект или Основы электро-радиотехники. Занятие 2. План-конспект

Если ток в цепи имеет, например, синусоидальную форму, т.е. изменяется по закону синуса:

Основы электро-радиотехники. Занятие 2. План-конспект

где w — постоянная угловая скорость, равная 2pf, то и напряжение должно меняться по такому же закону, ибо

Основы электро-радиотехники. Занятие 2. План-конспект

Из этих двух выражений видно, что ток и напряжение в цепи имеют одну и ту же фазу и могут быть представлены графически двумя совпадающими по фазе синусоидами.

Таким образом, в цепи переменного тока с активным сопротивлением ток и напряжение совпадают по фазе и угол сдвига между ними равен нулю.

Рассмотрим теперь, как изменяется мощность, расходуемая в такой цепи и чему равна ее величина.

Мгновенная мощность выражается произведением мгновенных значений тока и напряжения. Однако, так как ток и напряжение непрерывно изменяются, то и мгновенная мощность также непрерывно изменяется, совершая в течение одного периода переменного тока два полных цикла.

Поэтому, говоря о мощности переменного тока, всегда подразумевают среднюю мощность, которая для любого периода есть величина неизменная.

Среднюю мощность можно выразить или через действующий ток и напряжение или через действующий ток и сопротивление цепи:

Основы электро-радиотехники. Занятие 2. План-конспект

 

Отсюда следует, что средняя мощность, отдаваемая в цепь источником тока, на сопротивлении R переходит в тепловую энергию.

Именно эту «среднюю» мощность показывает нам измерительный прибор ваттметр, который включается в такую цепь.

Как было уже сказано, катушка, включенная в цепь переменного тока, оказывает значительное влияние на режим работа цепи, внося в цепь значительное дополнительное сопротивление, которое называют индуктивным.

Предположим, что в цепь переменного тока мы включили в катушку, которая имеет индуктивность L и активное сопротивление R.

Переменный ток, проходя через эту катушку, создает вокруг ее витков переменное магнитное поле, изменяющееся как по величине, так и направлению. Чем больше ток в цепи, тем больше и магнитное поле. Как только ток изменит направление, изменится и направление магнитных силовых линий поля. Другими словами, магнитное поле изменяется с частотой тока. Силовые линии поля, пересекая витки катушки, индуцируют в катушке ЭДС самоиндукции. Чем больше частота тока, тем большее число раз будут пересекаться витки катушки в единицу времени магнитным полем и тем больше будет ЭДС самоиндукции.

С другой стороны, известно, что величина ЭДС самоиндукции также зависит от величины магнитного поля или, другими словами, от напряженности магнитного поля и скорости его изменения.

Скорость изменения магнитного поля возрастает, когда ток в цепи увеличивается или уменьшается, равна нулю, когда ток максимален, и достигает наибольшего значения, когда ток меняет свое направление. Электродвижущая сила самоиндукции, как известно, будет изменяться в соответствии с изменением тока и магнитного потока, а направление ее в каждый момент времени противоположно направлению ЭДС источника.

Итак, мы выяснили, что ЭДС самоиндукции направлена на встречу ЭДС источника тока, а это означает, что она представляет собой дополнительное препятствие току в цепи. Это дополнительное препятствие и представляет собой индуктивное сопротивление.

Таким образом, индуктивное сопротивление есть результат действия ЭДС самоиндукции, направленной против приложенного сопротивления.

Индуктивное сопротивление обозначается знаком xL.

Электродвижущая сила самоиндукции, как мы видим, будет тем больше, чем больше величина и частота переменного тока и индуктивность катушки, так как с увеличением тока или индуктивности катушки увеличивается магнитное поле, а с увеличением частоты будет увеличиваться скорость изменения магнитного потока и число пересечений витков полем в единицу времени.

Основы электро-радиотехники. Занятие 2. План-конспект

Следовательно, индуктивное сопротивление тем больше, чем больше частота переменного тока и чем больше индуктивность катушки.

Рассмотрим, какие явления происходят в цепи переменного тока с последовательно включенными в нее конденсатором С и активным сопротивлением R.

Предположим, что вся емкость сосредоточена в конденсаторе, а все сопротивление — в активном сопротивлении цепи.

Отметим попутно, что такая цепь называется цепью с сосредоточенными постоянными в отличие от цепи с распределенными постоянными, в которой, например, катушка кроме индуктивности, обладает также и емкостью и активным сопротивлением, а активное сопротивление и соединительные провода обладают индуктивностью и т. д.

Оказывается, что при включении конденсатора в цепь переменного тока он будет то заряжаться, то разряжаться, причем полярность заряда конденсатора будет непрерывно изменяться соответственно частоте переменного тока. Таким образом в цепи с конденсатором будет проходить переменный ток. Когда напряжение источника возрастает, ток протекает от источника к конденсатору, заряжая последний, а когда напряжение источника убывает, то ток протекает от конденсатора к источнику. Следовательно, в цепи с конденсатором все время проходит ток, меняющийся по направлению и величине.

Вместе с тем конденсатор оказывает сопротивление току. Это сопротивление называется емкостным сопротивлением и обозначается буквой хС.

Так как величина заряда пропорциональна напряжению источника, то с его увеличением увеличивается число электронов, проходящих через поперечное сечение проводника в единицу времени, а следовательно увеличивается и заряд q, который получит конденсатор за четверть периода.

С другой стороны, величина заряда будет тем больше, чем больше емкость конденсатора. Следовательно, сила тока в цепи пропорциональна напряжению источника переменного тока и величине емкости С конденсатора.

Если бы при тех же напряжении и емкости доставили конденсатору этот заряд q за более короткий промежуток времени, то совершенно ясно, что сила тока значительно возросла бы, так как через поперечное сечение проводника за это время протекало бы гораздо больше электронов, чем раньше. Но уменьшение времени заряда конденсатора в цепи переменного тока может быть осуществлено путем уменьшения периода переменного тока, т. е. путем увеличения частоты.

Следовательно, увеличение частоты тока приводит к увеличению силы тока в цепи.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что при наличии емкости в цепи переменного тока сила тока пропорциональна напряжению источника переменного тока, частоте тока и емкости конденсатора. Эту зависимость математически можно выразить следующим образом:

Основы электро-радиотехники. Занятие 2. План-конспект

Мы получили выражение закона Ома для цепи переменного тока с конденсатором, где Основы электро-радиотехники. Занятие 2. План-конспект и есть не что иное, как емкостное сопротивление, измеряемое в омах:

Основы электро-радиотехники. Занятие 2. План-конспект

Из этой формулы видно, что с увеличением частоты и емкости емкостное сопротивление уменьшается.

Следовательно, конденсатор небольшой емкости для токов низкой частоты представляет большое сопротивление и в то же время относительно легко пропускает токи высокой частоты. Это свойство конденсаторов позволяет применять их в системах радиолокационных  станций для защиты цепей с токами высокой частоты от попадания токов низкой частоты. С другой стороны, пользуясь тем, что конденсаторы больших емкостей представляют собой незначительное сопротивление для токов высокой частоты, их применяют для блокировки, т. е. короткого замыкания токов высокой частоты.

В первом случае конденсаторы называются разделительными, так как они разделяют пути токов высокой и низкой частоты, а во втором блокировочными конденсаторами.

 

Одним из важнейших свойств переменных токов является простота его преобразования, т. е. наличие возможности повышать или понижать напряжение или силу тока при одновременном сохранении мощности.

Это свойство переменного тока широко используется при передаче электрической энергии на большие расстояния, а также в тех случаях, когда для питания той или иной аппаратуры требуются различные величины напряжения.

Преобразование переменных токов производится с помощью так называемых трансформаторов.

Трансформатор в простейшем случае состоит из двух обмоток, намотанных на один общий сердечник. Обмотка, концы которой подсоединяются к источнику ЭДС или на концы которой подается преобразуемое напряжение, называется первичной обмоткой, а обмотка, с которой снимается преобразованное напряжение, называется вторичной. Сердечник служит для усиления магнитного поля. Если сердечник удалить, то взаимодействие кашек сохранится, однако оно станет значительно слабее. Трансформаторы с сердечником изготовляются двух типов — стержневые и броневые.

Силовые трансформаторы чаще всего применяются в выпрямителях. Первичная обмотка силового трансформатора присоединяется к сети питания, а вторичные (их обычно бывает несколько) присоединяются к различным элементам схемы выпрямителя.

Междуламповые трансформаторы, называемые также трансформаторами низкой частоты, имеют обычно лишь две обмотки (первичную и вторичную) и железный сердечник; служат они для связи отдельных каскадов в радиосхемах.

Измерительные трансформаторы служат для проведения различных измерений в цепях переменного тока в тех случаях, когда непосредственное включение измерительного прибора в схему почему-либо неудобно или даже совсем невозможно.

Трансформатор может быть повышающим или понижающим, в зависимости от того, какое напряжение мы получаем на выходе по сравнению с напряжением, подаваемым на первичную обмотку. Если трансформатор увеличивает напряжение, то его называют повышающим; если уменьшает, то понижающим.

Принцип работы трансформатора основан на законе электромагнитной индукции. Если по первичной обмотке пропускать переменный ток, то он, проходя по обмотке, будет создавать переменное магнитное поле, которое, изменяясь с частотой переменного тока, будет пересекать витки вторичной обмотки, расположенной рядом на сердечнике, и индуцировать в ней переменную ЭДС, противоположную в каждый момент времени ЭДС первичной обмотки, согласно закону электромагнитной индукции и правилу Ленца.

Величина переменной ЭДС, индуктируемой во вторичной обмотке, находится в прямой зависимости от числа витков этой обмотки, т. е. чем больше витков во вторичной обмотке, тем больше будет напряжение и наоборот. При этом, естественно, следует иметь в виду, что увеличение напряжения будет в свою очередь означать уменьшение тока, ибо мощность при трансформации остается неизменной.

Отношение числа витков первичной обмотки к числу витков во вторичной называется коэффициентом трансформации и обозначается латинской буквой n. Таким образом коэффициент трансформации показывает, во сколько раз трансформатор повышает или понижает напряжение переменного тока.

Исходя из всего вышесказанного можно написать:

Основы электро-радиотехники. Занятие 2. План-конспект

где U1 и U2 — напряжения на первичной и вторичной обмотках, а W1 и W2 — числа витков обмоток.

Что касается токов в обмотках, то они обратно пропорциональны напряжениям или числам витков:

Основы электро-радиотехники. Занятие 2. План-конспект

Эффективность работы трансформатора характеризуется его коэффициентом полезного действия (КПД), который представляет собой отношение вторичной мощности к первичной:

Основы электро-радиотехники. Занятие 2. План-конспект

В современных трансформаторах КПД достигает 99%, так как потери мощности в обмотках и железе весьма невелики.

 

  1. Напоминаю тему, цель и учебные вопросы.
  2. Указываю ошибки.
  3. Даю задание на самоподготовку

подвожу итог занятия

(Пока оценок нет)