Алехин электротехника

3

ВВЕДЕНИЕ

Электротехнические дисциплины «Электротехника», «Общая электротехника», «Электротехника, электроника и схемотехника» (часть 1) в соответствии с Федеральными государственными образовательными стандартами подготовки бакалавров по направлениям «Управление в технических системах», «Мехатроника и робототехника», «Приборостроение», «Информатика и вычислительная техника» изучаются студентами в течение одного семестра. Содержание дисциплин и перечень изучаемых разделов мало изменился по сравнению с предыдущими государственными стандартами подготовки специалистов. В связи с этим образовательный процесс должен быть более интенсивным и использовать современные компьютерные технологии.

На кафедре теоретических основ электротехники МИРЭА в течение многих лет наряду с аналоговой лабораторией электротехники широко применялись компьютерные лабораторные практикумы с использованием программ Electronics Workbench и TINA, а также расчеты электрических цепей в Mathcad. Студенты осваивают эффективные компьютерные технологии расчета и моделирования электрических цепей.

Дальнейшим развитием современных информационных технологий является создание мультимедийных курсов лекций, сочетающих представление качественного текстового и графического материала с компьютерным моделированием электрических схем и процессов.

В последние годы появились новые эффективные программы компьютерного моделирования, в частности, программа TINA компании DesignSoft, которая является развитием программ Micro-CAP и Design Lab и содержит интегрированную часть для проектирования печатных плат. Эта программа наиболее информативная и удобна для применения в лекционном процессе. Доступную бесплатную студенческую версию программы TINA-TI-V9 распространяет компания Texas Instruments и её можно найти на сайте http://www.ti.com/tool/tina-ti.

Подробное изучение программы моделирования TINA проходит в лабораторном практикуме [7]. Видеоуроки по работе в программе, схемы для моделирования, использованные в курсе лекций, можно получить на сайте автора http://www.toe-mirea.ru.

Автор надеется, что курс лекций по электротехнике будет полезен как студентам, так и преподавателям электротехнических дисциплин.

В.А. Алехин. Электротехника. Мультимедийный курс лекций. 2016

4

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

1.1. Задачи дисциплины «ЭЛЕКТРОТЕХНИКА»

Электротехнические дисциплины представляют собой фундаментальную базу для изучения всех последующих дисциплин профессионального цикла при подготовке бакалавров и специалистов по направлениям «Управление в технических системах», «Приборостроение», «Мехатроника и робототехника», «Информатика и вычислительная техника» и др.

Инженеры по приборостроению, робототехнике, устройствам управления, электронике, вычислительной технике разрабатывают, создают и эксплуатируют разнообразные электронные и электромеханические устройства, применяя для этого современные методы моделирования, расчета и автоматизированного проектирования. Электронное устройство состоит из многих электронных компонентов (резисторов, катушек индуктивности, конденсаторов, транзисторов, микросхем, микропроцессоров и т.п.), соединенных определенным образом между собой, с источниками электрической энергии и с источниками входных сигналов. Электронное устройство графически изображают принципиальной электрической схемой, в которой все элементы изображены с помощью принятых условных обозначений и показан способ соединения элементов.

На основе предварительного анализа технического задания инженеры выбирают реальные электронные компоненты и разрабатывают принципиальную электрическую схему электронного устройства. Для проверки работоспособности принципиальной схемы и выбора оптимальных параметров электронных компонентов инженеры создают математическую модель электронного устройства (рис.1.1). В математической модели реальные электронные компоненты заменяют их математическими моделями, в которых исключены второстепенные явления, и используется совокупность идеальных элементов. Принципиальную электрическую схему заменяют электрической цепью. Электрическая цепь – это идеализированная модель реальной электрической схемы, позволяющая производить приближенный расчет электронного устройства. Получают математи-

ческую модель. Вводят в нее модели сигналов и получают реакции. Проводят исследования расчетной модели, находят оптимальную структуру электрической цепи и оптимальные модели элементов. В результате таких исследований уточняют состав реальных электронных компонентов и принципиальную электрическую схему. Затем проектируют печатные платы и конструкцию устройства, изготавливают макет и проводят натурные испытания.

В современном мире электрическая энергия является основным средством обеспечения производственной деятельности человека, созда-

В.А. Алехин. Электротехника. Мультимедийный курс лекций. 2016

5

ния условий для комфортного существования в развитом информационном обществе. Повседневно мы используем разнообразные приборы и устройства с электрическим питанием. Поэтому знание основ электротехники, умение технически грамотно решать возникающие бытовые проблемы необходимо для каждого образованного человека.

Рис.1.1. Этапы проектирования электронного устройства

1.Основные понятия и законы электротехники.

2.Методы расчета сложных электрических цепей с использованием компьютерных программ.

3. Методы экспериментального исследования электрических цепей в реальной лаборатории.

4.Компьютерное моделирование электрических цепей в виртуальной лаборатории с использованием современных программ.

5.Способы решения разнообразных простых задач по всем темам

курса.

Изучение теоретических вопросов в нашем курсе иллюстрируется многочисленными примерами моделирования в программной среде TINATI и примерами решения задач с простыми числами. Студенты получают навыки компьютерного моделирования и анализа характеристик электрических цепей в современной эффективной среде TINA. В приложении даны программы расчета электрических цепей в Mathcad, которые рекомен-

В.А. Алехин. Электротехника. Мультимедийный курс лекций. 2016

6

дуется использовать при выполнении домашних и курсовых работ. Старательное и полное изучение нашего курса электротехники поможет студентам в освоении последующих дисциплин.

1.2. Основные понятия электротехники

Электрической цепью называют совокупность соединенных друг с другом источников электрической энергии и нагрузок, по которым может протекать электрический ток.

Особенностью электрических цепей как расчетных моделей является то, что сложные электромагнитные процессы, протекающие в реальных устройствах и их элементах, в электрической цепи можно описать с помо-

щью понятий: электрический ток, электрическое напряжение, сопротивление, индуктивность, емкость.

Электрический ток определяется как упорядоченное перемещение электрических зарядов q (Кл) через поперечное сечение проводника. По-

стоянный по величине и направлению ток обозначают прописной буквой

родной системе единиц СИ для обозначения кратных и дольных величин используют префиксы (в русском написании) (Таблица 1.1):

Таблица 1.1

В обычных электронных схемах на транзисторах токи составляют от единиц микроампер до единиц ампер. Ток, потребляемый вашим домашним хозяйством, может состалять 10-20 А. Большие промышленные моторы потребляют до 1000 А.

Электрический потенциал некоторой точки электрической цепи

равен отношению энергии, расходуемой зарядом при его перемещении из данной точки электрической цепи в другую точку, имеющую нулевой потенциал, к величине заряда. В электрической цепи точкой с нулевым потенциалом считается заземленная точка. Электрический потенциал измеряют в вольтах (1В= 11ДжКл = 11ВтА ).

Электрическое напряжение u между двумя точками цепи равно разности потенциалов этих точек: u12 1 2 . На схемах электрических

В.А. Алехин. Электротехника. Мультимедийный курс лекций. 2016

прописной буквой U . Переменное во времени напряжение обозначают строчной буквой u . Переменный ток и переменное напряжение характеризуются мгновенными значениями i( t ) и u( t ).

Постоянное напряжение питания обычных электронных схем от 5В до 12В. Переменное напряжение электрический сети в вашем доме ~220В или ~380В. Напряжение сигнала в приемной антенне единицы микровольт.

Элементарная работа по переносу заряда в электрическом поле

1.3. Алфавит электрических цепей

Алфавит - это набор идеальных элементов, из которых составляются расчетные модели реальных электронных устройств. Элементы алфавита характеризуются функциональными характеристиками: вольтамперными характеристиками (ВАХ), вебер-амперными и кулон-

вольтными характеристиками. ВАХ – это зависимость напряжения на элементе или участке цепи от тока в нем. Очень многие модели рассчитывают в линейном приближении, используя теорию линейных электрических цепей и идеальные линейные элементы.

Перечислим свойства идеальных линейных элементов:

1. Параметры идеальных линейных элементов не зависят от режима работы (от напряжения на элементе и тока в нем), времени и внешних воздействий.

В.А. Алехин. Электротехника. Мультимедийный курс лекций. 2016

8

2. Вольт-амперные, вебер-амперные и кулон-вольтные характеристики линейных элементов являются линейными.

3. Геометрические размеры идеальных элементов считаются бесконечно малыми.

4. Проводники, соединяющие идеальные элементы, не имеют сопротивления.

И д е а л ьн ы е п а с с и вн ы е ли н е й н ы е э ле м е н ты Пассивные элементы являются приемниками электрической энергии.

С о п р о т и в л е н и е ( р е з и с т о р ) ( рис.1.2)

Рис.1.4

В.А. Алехин. Электротехника. Мультимедийный курс лекций. 2016

9

дечник из ферромагнитного или немагнитного материала.

По закону электромагнитной энергии напряжение на индуктивности (рис.1.4) равно:

к о й называют зависимость потокосцепления в индуктивности от тока в ней (рис.1.6). В линейной индуктивности эта характеристика линейная и ее

Рис.1.7

В.А. Алехин. Электротехника. Мультимедийный курс лекций. 2016