Текст книги "Введение в электронику"

Автор книги: Эрл Гейтс

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 26 страниц)

Глава 10. Индуктивность

ЦЕЛИ

После изучения этой главы студент должен быть в состоянии:

• Объяснить принципы индуктивности.

• Дать определение основных величин измерения индуктивности.

• Описать основные типы катушек индуктивности.

• Дать определение полной индуктивности в последовательной и параллельной цепях.

• Дать объяснение постоянной времени L/R и ее связи с индуктивностью.

Когда по проводнику течет ток, вокруг него возникает магнитное поле. Это поле обладает энергией, величина которой пропорциональна индуктивности.

В этой главе обсуждается индуктивность и ее приложения в цепях постоянного тока. Более подробно об индуктивности рассказано в главе 16.

10-1. ИНДУКТИВНОСТЬ.

Индуктивность – это способность извлекать энергию из источника и сохранять ее в виде магнитного поля. Это свойство проводника, предотвращающее резкие изменения текущего через него тока. Например, если ток в катушке увеличивается, магнитное поле вокруг катушки расширяется. Если ток в катушке уменьшается, магнитное поле сжимается. Однако сжатие магнитного поля индуцирует в катушке напряжение, которое поддерживает ток. Таким образом, индуктивность позволяет энергии сохраняться в виде магнитного поля, зависящего от тока. Когда ток уменьшается, уменьшается и магнитное поле, возвращая в цепь запасенную энергию.

Единица, которой измеряется индуктивность называется генри (Гн). Она названа в честь американского физика Джозефа Генри (1797–1878). Генри – это такая индуктивность, которая требуется для индуцирования электродвижущей силы (э.д.с.) в 1 вольт при изменении тока в проводнике со скоростью 1 ампер в секунду. Генри – большая единица, значительно чаще используются миллигенри (мГн) и микрогенри (мкГн). Индуктивность обозначается символом L.

10-1. Вопросы

1. Дайте определение индуктивности.

2. В каких единицах измеряется индуктивность?

3. Дайте определение генри.

4. Какая буква используется для обозначения индуктивности?

10-2. КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ

Катушки индуктивности – это устройства, имеющие определенную индуктивность. Они состоят из провода, намотанного на сердечник, и классифицируются по материалу сердечника. Сердечник катушки может быть либо магнитным, либо немагнитным. На рис. 10-1 показано схематическое обозначение катушки индуктивности.

Рис. 10-1. Схематическое обозначение катушки индуктивности.

Катушки могут иметь как постоянную, так и изменяемую индуктивность. На рис. 10-2 показано схематическое обозначение катушки с переменной индуктивностью. Катушки с переменной индуктивностью содержат подстроечный сердечник.

Рис. 10-2. Схематическое обозначение катушки с переменной индуктивностью

На рис. 10-3 показаны несколько типов катушек индуктивности, использующих подстроечный сердечник. Максимальная индуктивность регистрируется, когда сердечник полностью введен в катушку.

Рис. 10-3. Некоторые типы катушек индуктивности с возможностью регулирования индуктивности.

Катушки индуктивности с воздушным сердечником, или катушки без сердечника, используются в тех случаях, когда индуктивность не превышает 5 миллигенри. Они наматываются на керамические или композитные сердечники (рис. 10-4).

Рис. 10-4. Типы катушек индуктивности с воздушным сердечником.

Сердечники из феррита или порошкообразного железа используются для индуктивностей до 200 миллигенри. Схематическое обозначение катушки с железным сердечником показано на рис. 10-5.

Рис. 10-5. Схематическое обозначение катушки индуктивности с железным сердечником.

Тороидальные сердечники имеют кольцеобразную форму и позволяют получить высокую индуктивность при малых размерах (рис. 10-6). Их магнитное поле сосредоточено внутри сердечника.

Рис. 10-6. Катушки индуктивности с тороидальным сердечником.

Экранированные индуктивности заключены в корпус (экран), сделанный из магнитного материала для защиты их от влияния внешних магнитных полей (рис. 10-7).

Рис. 10-7. Экранированная катушка индуктивности.

Многослойные катушки индуктивности с железным сердечником используются для получения большой индуктивности (рис. 10-8).

Рис. 10-8. Многослойная катушка индуктивности с железным сердечником.

Индуктивность этих катушек изменяется от 0,1 до 100 генри и зависит от величины тока, протекающего через катушку. Эти катушки иногда называют дросселями. Они используются в цепях фильтрации источников питания для удаления переменных составляющих выпрямленного постоянного тока. Они будут обсуждаться немного позднее.

Обычно катушки индуктивности имеют допуск ±10 %, но встречаются катушки с допуском менее, чем 1 %. Катушки индуктивности, как и резисторы, могут соединяться последовательно, параллельно или последовательно-параллельно. Полная индуктивность нескольких катушек индуктивности, соединенных последовательно (катушки должны быть пространственно разделены для того, чтобы избежать взаимодействия их магнитных полей), равна сумме их индуктивностей:

L_T = L₁ + L₂ + L₃ +… + L_n

Если две или более катушек индуктивности соединены параллельно (без взаимодействия их магнитных полей), общую индуктивность можно найти с помощью формулы:

1/L_T = 1/L₁ + 1/L₂ + 1/L₃ +… + 1/L_n

10-2. Вопросы

1. Что такое катушки индуктивности?

2. Нарисуйте схематические обозначения катушек с постоянной и переменной индуктивностью.

3. Как по другому называются многослойные катушки индуктивности с железным сердечником?

4. Напишите формулы для определения общей индуктивности

а. В последовательных цепях.

б. В параллельных цепях.

5. Какова общая индуктивность цепи с тремя катушками индуктивности 10 Гн, 3,5 Гн и 6 Гн, соединенными параллельно?

10-3. ПОСТОЯННАЯ ВРЕМЕНИ L/R

Постоянная времени L/R – это время, требуемое для увеличения тока в проводнике от нуля до 63,2 % или уменьшения до 36,8 % от максимального значения. RL цепь показана на рис. 10-9.

Рис. 10-9. Цепь, используемая для определения постоянной времени L/R.

L/R – обозначение, используемое для постоянной времени RL цепи:

t = L/R

где

t – время в секундах, L – индуктивность в генри, R – сопротивление в омах.

На рис. 10–10 показан график увеличения и уменьшения магнитного поля, как функции времени, причем масштабной единицей взята постоянная времени t. Требуется время, в пять раз большее постоянной времени для того, чтобы полностью передать энергию магнитному полю или создать максимальное магнитное поле. Такое же время требуется для того, чтобы магнитное поле полностью исчезло.

Рис. 10–10. Количество постоянных времени, требуемое для создания максимального магнитного поля или полного исчезновения магнитного поля в катушке индуктивности.

10-3. Вопросы

1. Что такое постоянная времени катушки индуктивности?

2. Как определяется постоянная времени?

3. Сколько постоянных времени требуется для того, чтобы создать максимальное магнитное поле катушки индуктивности?

4. Сколько постоянных времени требуется для того, чтобы магнитное поле катушки индуктивности полностью исчезло?

5. Какое время требуется, чтобы создать максимальное магнитное поле катушки индуктивностью 0,1 генри, соединенной последовательно с резистором 100000 Ом?

РЕЗЮМЕ

• Индуктивность – это способность сохранять энергию в виде магнитного поля.

• Единицей измерения индуктивности является генри (Гн).

• Для обозначения индуктивности используется буква L.

• Катушки индуктивности – это устройства, имеющие определенную индуктивность.

• Схематическим обозначением постоянной индуктивности является:

• Схематическим обозначением переменной индуктивности является:

• Катушки индуктивности бывают следующих типов: с воздушным сердечником, с сердечником из феррита или порошкообразного железа, с тороидальным сердечником, экранированные и многослойные с железным сердечником.

• Общая индуктивность катушек, соединенных последовательно, вычисляется по формуле:

L_T = L₁ + L₂ + L₃ +… + L_n

• Общая индуктивность катушек, соединенных параллельно, равна:

1/L_T = 1/L₁ + 1/L₂ + 1/L₃ +… + 1/L_n

• Постоянная времени – это время, требуемое для увеличения тока от нуля до 63,2 % или уменьшения его до 36,8 % от максимального значения.

• Постоянная времени определяется формулой:

t = L/R

• Время, в пять раз большее постоянной времени, необходимо для создания максимального магнитного поля или полного исчезновения магнитного поля катушки индуктивности.

Глава 10. САМОПРОВЕРКА

1. Как можно увеличить магнитное поле, создаваемое катушкой индуктивности?

2. Чему равна общая индуктивность изображенной ниже цепи?

3. Катушка индуктивности 500 мГн и резистор 10 кОм соединены последовательно и подключены к источнику тока 25 вольт. Каково будет напряжение на катушке индуктивности через 100 микросекунд после включения цели?

Глава 11. Емкость

ЦЕЛИ

После изучения этой главы студент должен быть в состоянии:

• Объяснить, что такое емкость.

• Знать, в каких единицах измеряется емкость.

• Знать различные типы конденсаторов.

• Уметь определить общую емкость последовательной и параллельной цепей.

• Дать объяснение постоянной времени RC и ее связи с емкостью.

Емкость позволяет сохранять энергию в электростатическом поле. Емкость существует всегда, когда два проводника разделены изолятором.

В этой главе рассматривается емкость и ее применения в цепях постоянного тока. Более подробно емкость рассмотрена в главе 15.

11-1. ЕМКОСТЬ

Емкость – это способность устройства хранить электрическую энергию в электростатическом поле. Конденсатор – это устройство, которое обладает определенной емкостью. Конденсатор состоит из двух проводников, разделенных изолятором (рис. 11-1).

Рис. 11-1. Конденсатор состоит из двух обкладок (проводников), разделенных диэлектриком (изолятором).

Проводники называются обкладками, а изолятор – диэлектриком. На рис. 11-2 даны схематические изображения конденсаторов.

Рис. 11-2. Схематическое обозначение конденсаторов.

Когда источник тока подсоединен к конденсатору, ток течет до тех пор пока конденсатор не зарядится. Конденсатор заряжается избытком электронов на одной обкладке (отрицательный заряд) и дефицитом электронов на другой обкладке (положительный заряд).

Диэлектрик предотвращает перемещение электронов между обкладками. Как только конденсатор зарядится, ток прекращается. Напряжение на конденсаторе равно напряжению источника тока.

Заряженный конденсатор может быть отключен от источника тока и использован как источник энергии. Однако как только конденсатор теряет энергию, напряжение на нем резко падает. В цепи постоянного тока конденсатор после начальной зарядки работает как разомкнутая цепь.

Разомкнутая цепь – это цепь с бесконечным сопротивлением.

Предупреждение: так как конденсатор при отключении от источника тока может удерживать потенциал источника тока достаточно долго, обращайтесь со всеми конденсаторами, как с заряженными. Никогда не касайтесь обоих выводов конденсатора рукой до тех пор, пока не разрядите его путем закорачивания выводов. Конденсатор в цепи может удерживать потенциал неопределенно долго, если у него нет пути для разряда.

Количество энергии, сохраняемой в конденсаторе, пропорционально размеру конденсатора. Конденсаторы, используемые в учебных лабораториях, обычно малы и наносят небольшой удар током при разряде через тело. Однако если конденсатор большой и заряжен высоким напряжением, его удар может быть смертельным. С заряженными конденсаторами следует обращаться так же, как и с любыми другими источниками тока.

Основной единицей измерения емкости является фарада (Ф). Фарада – это такая емкость, которая может сохранить 1 кулон заряда при напряжении на конденсаторе 1 вольт.

Фарада слишком большая единица для обычных целей, и поэтому обычно используются микрофарады (мкФ) и пикофарады (пФ). Для обозначения емкости используется буква С.

1 микрофарада = 0,000001 или 1/1000 000 фарады,

1 пикофарада = 0,000000000001 или 1/1000000000000 фарады

11-1. Вопросы

1. Что такое емкость?

2. Нарисуйте схематическое изображение емкости.

3. Какие предосторожности необходимо соблюдать при работе с конденсаторами?

4. В каких единицах измеряется емкость?

5. Какие единицы обычно используются для обозначения емкости конденсаторов?

11-2. КОНДЕНСАТОРЫ

На емкость конденсатора влияют четыре фактора:

1. Площадь обкладок

2. Расстояние между обкладками.

3. Тип диэлектрического материала.

4. Температура.

Конденсаторы бывают постоянные и переменные. Постоянный конденсатор имеет определенное значение емкости, которое не может быть изменено. Емкость переменного конденсатора можно изменять, изменяя либо расстояние между обкладками (подстроечный конденсатор), либо перекрытие между двумя наборами пластин (переменный конденсатор).

Емкость прямо пропорциональна площади обкладок.

Например, увеличение площади обкладок в два раза в те же два раза увеличивает емкость, если, конечно, все другие факторы остаются неизменными.

Емкость обратно пропорциональна расстоянию между обкладками. Другими словами, если обкладки раздвинуть, величина электрического поля между ними уменьшится.

Способность конденсаторов сохранять электрическую энергию зависит от электростатического поля между обкладками и искажения электронных орбит в диэлектрическом материале. Степень этого искажения зависит от природы диэлектрического материала и определяется его диэлектрической постоянной. Диэлектрическая постоянная – это мера эффективности материала как диэлектрика. Эта постоянная сравнивает способность материала к искажению электронных орбит и сохранению энергии в электрическом поле со способностью воздуха, диэлектрическая постоянная которого равна 1. Бумага имеет диэлектрическую постоянную от 2 до 3; слюда – от 5 до 6; а титан – от 90 до 170.

Температура конденсатора из всех четырех факторов имеет наименьшее значение. Для большинства приложений общего назначения рассматривать ее нет необходимости.

Конденсаторы бывают различных типов и конструкций в соответствии с требованиями электронной промышленности. Электролитические конденсаторы обладают большой емкостью при малых размерах и весе (рис. 11-3).

Рис. 11-3. Электролитические конденсаторы.

Электролитические конденсаторы состоят из двух металлических обкладок из фольги, разделенных тонкой материей или другим гигроскопическим материалом, насыщенным химической пастой, называемой электролитом.

Электролит является хорошим проводником и служит частью отрицательной обкладки. Диэлектрик образуется окислением положительной обкладки. Слой окисла является тонким и хорошим изолятором. Электролитический конденсатор является поляризованным, имеет положительный и отрицательный выводы. При включении электролитического конденсатора в цепь должна соблюдаться полярность.

Бумажные и пластиковые конденсаторы сконструированы как рулоны фольги, разделенной диэлектриком (рис. 11-4).

Рис. 11-4. Бумажные и пластиковые конденсаторы

Бумажный диэлектрик имеет меньшее сопротивление, чем пластиковая диэлектрическая пленка, но пластиковая пленка в настоящее время используется чаще. Пластиковая пленка позволяет нанести металлическую пленку прямо на нее. Это уменьшает расстояние между обкладками, и в результате конденсатор получается компактнее.

Керамические дисковые конденсаторы популярны вследствие того, что их производство обходится очень дешево (рис. 11-5). Они используются в качестве емкостей от 0,1 микрофарады и меньше. Керамический материал является диэлектриком. Это выносливые, надежные конденсаторы для широкого применения.

Рис. 11-5. Керамические дисковые конденсаторы.

Переменные конденсаторы также имеют различные размеры и формы (рис. 11-6). Переменные конденсаторы бывают выравнивающие, подстроечные и настроечные. Выравнивающие и подстроечные конденсаторы должны настраиваться специалистом. Настроечные конденсаторы могут настраиваться пользователем.

Рис. 11-6. Переменные конденсаторы.

Подобно резисторам и катушкам индуктивности, конденсаторы могут соединяться последовательно, параллельно и последовательно-параллельно. Последовательное соединение конденсаторов эффективно увеличивает толщину диэлектрика. Это уменьшает общую емкость, так как емкость обратно пропорциональна расстоянию между обкладками. Общая емкость последовательно соединенных конденсаторов вычисляется подобно общему сопротивлению параллельно соединенных резисторов:

1/С_T = 1/С₁ + 1/С₂ + 1/С₃ +… + 1/С_n

Когда конденсаторы различной емкости соединяются последовательно, наименьший конденсатор заряжается до наивысшего напряжения.

Параллельное соединение конденсаторов эффективно увеличивает площадь обкладок. Это приводит к тому, что общая емкость равна сумме отдельных емкостей:

С_T = С₁ + С₂ + С₃ +… + С_n

11-2. Вопросы

1. Какие четыре фактора влияют на емкость конденсатора?

2. Каковы преимущества электролитических конденсаторов?

3. Как иначе называются переменные конденсаторы?

4. По какой формуле определяется общая емкость последовательной цепи?

5. По какой формуле определяется общая емкость параллельной цепи?

11-3. ПОСТОЯННАЯ ВРЕМЕНИ ЦЕПИ RC

Постоянная времени цепи RC отражает соотношение между временем, сопротивлением и емкостью. На рис. 11-7 изображена RC цепь.

Рис. 11-7. Цепь, используемая для определения постоянной времени RC.

Время, необходимое для заряда и разряда конденсатора прямо пропорционально величине сопротивления и емкости. Постоянная времени цепи определяет время, требуемое для того, чтобы конденсатор зарядился до 63,2 % от величины приложенного напряжения или разрядился на 63,2 % от этой величины. Постоянная времени определяется следующей формулой:

t = RC,

где

t – время в секундах, R – сопротивление в омах, С – емкость в фарадах.

_{ПРИМЕР: Чему равна постоянная времени цепи, состоящей из конденсатора емкостью в 1 микрофараду и резистора величиной 1 МОм?}

_Дано:

_{С = 1 мкФ; R = 1 МОм}

_{t =?}

_{Решение:} 

_{t = RC}

_{t = (1000000)(0,000001)}

_{t = 1 сек.}

Постоянная времени цепи не равна времени, требуемого для полного заряда или разряда конденсатора. Рис. 11-8 показывает, сколько постоянных времени требуется для полного заряда и разряда конденсатора. Заметим, что для полного заряда или разряда конденсатора требуется время, примерно в пять раз большее постоянной времени цепи.

Рис. 11-8. График зависимости заряда и разряда конденсатора от времени.

11-3. Вопросы

1. Что такое постоянная времени цепи RC?

2. Как определяется постоянная времени цепи RC?

3. Сколько постоянных времени цепи требуется для полного заряда или разряда конденсатора?

4. Конденсаторы емкостью 1 мкФ и 0,1 мкФ соединены последовательно. Чему равна полная емкость цепи?

5. Конденсатор емкостью 0,015 мкФ заряжен до 25 вольт. Чему будет равно напряжение на нем через 25 миллисекунд после подсоединения к его выводам резистора 2 МОм?

РЕЗЮМЕ

• Емкость – это способность сохранять электрическую энергию в электростатическом поле.

• Конденсатор состоит из двух проводников, разделенных изолятором.

• Схематическое обозначение постоянного конденсатора следующее:

• Схематическое обозначение переменного конденсатора следующее:

• Единицей измерения емкости является фарада (Ф).

• Поскольку фарада – это большая единица, обычно используются микрофарады (мкФ) и пикофарады (пФ).

• Емкость обозначается буквой С.

• На емкость влияют следующие факторы:

а. Площадь обкладок конденсатора.

б. Расстояние между обкладками.

в. Тип диэлектрического материала

г. Температура.

• Конденсаторы бывают следующих типов: электролитические, бумажные, пластиковые и керамические.

• Емкость последовательно соединенных конденсаторов вычисляется по следующей формуле:

1/С_T = 1/С₁ + 1/С₂ + 1/С₃ +… + 1/С_n

• Емкость параллельно соединенных конденсаторов вычисляется по следующей формуле:

С_T = С₁ + С₂ + С₃ +… + С_n

• Постоянная времени цепи RC определяется формулой:

t = RC.

Для полного заряда или разряда конденсатора требуется время, примерно в пять раз больше постоянной времени цепи.

Глава 11. САМОПРОВЕРКА

1. Где в конденсаторе сохраняется заряд?

2. Четыре конденсатора с емкостями 1,5 мкФ, 0,05 мкФ, 2000 пФ и 25 пФ соединены последовательно. Чему равна полная емкость цепи?

3. Четыре конденсатора с емкостями 1,5 мкФ, 0,05 мкФ, 2000 пФ и 25 пФ соединены параллельно. Чему равна полная емкость цепи?

Раздел 2
ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Специальность – электрик

Электрик может специализироваться в изготовлении аппаратуры, в ее эксплуатации или и в том, и в другом.

Электрики собирают, устанавливают и эксплуатируют различное оборудование: нагревательное, осветительное, энергоснабжающее, кондиционирующее и холодильное.

Работа электрика является активной и напряженной.

Электрик рискует получить поражение электрическим током, упасть или порезаться об острые предметы. Электрик должен уметь пользоваться защитным оборудованием и одеждой для того, чтобы избежать травм, и неукоснительно соблюдать правила техники безопасности.

Большая часть электриков подготавливается на основе учебных программ, которые позволяют им получать квалификацию по эксплуатации и по изготовлению различного оборудования.

К 2000 году ожидается увеличение потребности в электриках. По мере роста населения и экономики возрастет потребность в электриках для эксплуатации электрических систем, используемых в промышленности и дома.