 ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ Сила воли ведет к действию, а позитивные действия формируют позитивное отношение Как определить диапазон голоса - ваш вокал Игровые автоматы с быстрым выводом Как самому избавиться от обидчивости Противоречивые взгляды на качества, присущие мужчинам Вкуснейший "Салат из свеклы с чесноком" Натюрморт и его изобразительные возможности Применение, как принимать мумие? Мумие для волос, лица, при переломах, при кровотечении и т.д. Как научиться брать на себя ответственность Зачем нужны границы в отношениях с детьми? Световозвращающие элементы на детской одежде Как победить свой возраст? Восемь уникальных способов, которые помогут достичь долголетия Классификация ожирения по ИМТ (ВОЗ) Глава 3. Завет мужчины с женщиной
Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.
| ИЗУЧЕНИЕ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
Цель работы
Изучение устройства, принципа действия асинхронного электродвигателя и освоить способы пуска и реверсирование.
Теоретические сведения Асинхронная машина – это машина, у которой при работе возбуждается вращающееся магнитное поле, но ротор вращается асинхронно, то есть с угловой скоростью, отличной от угловой скорости поля. Трехфазная асинхронная машина состоит из двух главных частей: неподвижного статора и вращающегося ротора. Статор асинхронной машины представляет собой полый цилиндр (сердечник), собранный из пластин электротехнической стали, изолированных друг от друга слоем лака. В пазах на внутренней стороне сердечника укладывается статорная трехфазная обмотка. Соединение обмотки статора осуществляется в коробке, в которую выведены начала фаз С1, С2 и С3 и концы фаз С4, С5 и С6. Они могут соединяться между собой звездой или треугольником, в зависимости от указанного напряжения в паспорте двигателя. Асинхронные машины в основном различаются устройством ротора. Ротор состоит из стального вала, магнитопровода набранного из листов электротехнической стали с выштампованными пазами. Обмотка ротора бывает короткозамкнутой или фазной.
Порядок проведения работы 4.3.1 Ознакомиться с оборудованием и приборами лабораторной установки и записать их паспортные данные в таблицу 4.1.
Таблица 4.1 Данные приборов и оборудования
4.3.2 Определить начала и концы обмоток статора: а) методом трансформации; б) методом подбора концов. Определение наименований соответствующих выводов статорной обмотки (начало и конец первой, второй и третьей обмоток соответственно С1 - С4; С2 - С5; С3 - С6) выполняются следующим образом. При выводе концов обмоток из двух отверстий двигателя (рисунок 5.1) из одного отверстия выводятся начала обмоток (С1, С2, С3) из другого - концы (С4, С5, С6).
Рисунок 4.1 Выводы обмоток статора из двух отверстий При выводе концов обмоток из трёх отверстий корпуса двигателя (рисунок 4.2) из каждого отверстия выводят начало одной и конец другой обмоток.
Рисунок 4.2 Выводы обмоток статора двигателя из трёх отверстий
4.3.2.1 Для определения «начала» и «конца» выводов статорной обмотки сначала методом прозванивания устанавливают принадлежность выводов к обмоткам фаз (С1 - С4, С2 - С5, С3 - С6). При этом к одному полюсу источника тока подключают один вывод обмотки, а к другому полюсу источника присоединяют провод от контрольной лампы или измерительного прибора. Затем концом второго соединительного провода от контрольной лампы (прибора) поочерёдно касаются остальных выводов статорной обмотки. Лампа загорится, когда фазная обмотка замкнёт цепь (рисунок 4.3). Одновременно следует произвести условную маркировку начал и концов фазных обмоток, например, начало первой фазной обмотки С1, конец её С4, начало второй фазной обмотки С2, и конец её С5 и соответственно третьей фазной обмотки С3 и С6.
Рисунок 4.3 Определение принадлежности выводов к обмоткам 4.3.2.2 Метод трансформации. Для этого две обмотки (одна из них с заданным базовым «началом» и «концом» С1 и С4) включаются последовательно в сеть, а третью обмотку подключают к лампочке или вольтметру (рисунок 4.4).
Рисунок 4.4 Схема соединения обмоток при определении принадлежности выводов
Если «конец» одной обмотки (С4) окажется соединённым с «началом» другой, то результирующий магнитный поток двух обмоток будет пересекать витки третьей, в которой будет индуктироваться ЭДС (для двигателей, исследуемых в лабораторной работе, ЭДС не превышает 10 В). В этом случае конец обмотки, соединённый с С4, следует называть С2, противоположный – С5. Если окажется, что лампочка (или вольтметр) не будет реагировать на появление ЭДС, то это указывает на компенсацию магнитных потоков. В этом случае концы второй обмотки следует поменять местами и повторить эксперимент. Для установления наименования выводов третьей обмотки выполняют аналогичный эксперимент, включив вторую обмотку на вольтметр, а третью соединяют последовательно с первой. 4.3.2.3 Метод подбора концов. Этим методом удобно пользоваться при определении «начал» и «концов» у двигателей мощностью до 5 кВт. После определения принадлежности концов обмоткам, один из выводов от каждой обмотки соединяют в общую точку, а другие вывода включают в сеть. Если в общей точке оказались все три начала или конца, то электродвигатель будет работать нормально. Тогда выводы, подведённые к сети, помечают например, как начала (С1, С2, С3), а выводы, объединенные в общую точку, как концы (С4, С5, С6). Если в общей точке оказались, например, два конца и одно начало (рисунок 4.5, а), то электродвигатель сильно гудит, ротор его не сразу трогается с места и плохо вращается. В подобном случае не следует долго (более 2...3 с) держать двигатель включённым в сеть. После отключения двигателя меняют местами вывода одной из фаз и снова включают в сеть (рисунок 4.5, б).
а) б) в)
Рисунок 4.5 Определение условных «начал» и «концов» обмоток методом подбора: а, б, в – варианты подбора «начал» и «концов» обмоток для схемы соединения «звезда» Если же вновь схема не угадана, то выводы этой фазы возвращают на прежнее место и меняют местами выводы следующей (рисунок 4.5, в) и т.д. Максимальное число проб в данном методе три. 4.3.3 Освоить пуск и реверсирование электродвигателя. 4.3.3.1 Выбор способа включения обмоток в сеть устанавливается по паспортным данным двигателя и линейному напряжению в сеть. Если в паспорте указано одно напряжение, то включение двигателя можно только одним способом (380 В-Y, либо 220 В-D). Если в паспорте указаны два напряжения, например, 380 В и 220 В, то в случае совпадения линейного напряжения сети с большим паспортным, двигатель включается звездой (Y) и наоборот – треугольником (D). Включение выполняют согласно схемы на рисунке 4.6.
а) б) Рисунок 4.6 Способы соединения обмоток двигателя: а – звездой, б – треугольником
Рисунок 4.7 Соединение выводов обмоток статора по схеме «звезда» и «треугольник» в клеммной коробке электродвигателя
У большинства трёхфазных электродвигателей начала и концы обмоток выведены таким образом, как это показано на рисунке 4.7. Для соединения обмоток по схеме «звезда» надо замкнуть между собой три нижних (или верхних) зажима и подвести соответственно к трём верхним (или к трём нижним) зажимам фазы напряжение сети. Чтобы соединить обмотки по схеме «треугольник», следует по вертикали замкнуть каждую пару зажимов и к ним подвести напряжение сети. 4.3.3.2 Для выполнения реверсирования электродвигателя (изменение направления вращения ротора) два любых подходящих к двигателю провода меняют местами. 4.3.3.3 Изучить особенности пуска трёхфазного электродвигателя в однофазном режиме. При осуществлении пуска трёхфазного двигателя в однофазном режиме можно использовать схемы включения, приведённые на рисунке 4.8.
а б
Рисунок 4.8 Возможные схемы пуска трёхфазного двигателя в однофазном режиме: а – по схеме «треугольник», б – по схеме «звезда» Применительно к рассмотренным схемам рабочая ёмкость конденсаторов может быть рассчитана по соотношениям: для схемы рисунка 4.8 а) Ср.н. ≈ 4800 б) Ср.н. ≈ 2800 где Ср.н. – рабочая ёмкость для нормальной нагрузки, мкФ; Iн – номинальный ток, А; U – напряжение сети, В. Для получения момента, близкого к номинальному, достаточно иметь пусковую емкость, определяемую соотношением Сп ≈ Ср.н.. В лабораторной установке применяются регулируемые конденсаторы. В момент пуска устанавливаем Сп, затем, по мере разгона двигателя – Ср.н. (рисунок 5.8). Значение ёмкости рабочих и пусковых конденсаторов в зависимости от мощности электродвигателя можно определить из таблицы 4.2
Таблица 4.2 Значение ёмкостей рабочих и пусковых конденсаторов
4.4 Контрольные вопросы 4.4.1 Как устроен трёхфазный двигатель с короткозамкнутым ротором? 4.4.2 Как определить «начало» и «конец» фазы обмоток статора асинхронного двигателя при отсутствии на них маркировки? 4.4.3 От чего зависит частота вращения магнитного поля статора двигателя? 4.4.4 Почему сердечник статора и ротора набирают из тонких листов электротехнической стали, изолированных друг от друга? 4.4.5 Будет ли работать двигатель при обрыве одной фазы? 4.4.6 На какую мощность можно нагрузить трёхфазный двигатель при работе в однофазном режиме?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5 ИССЛЕДОВАНИЕ БИПОЛЯРНЫХ И ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ
5.1 Цель работы Целью работы является: получение навыков в снятии вольт-амперных характеристик (ВАХ) 3-хполюсников (транзисторов), изображение их в виде семейств кривых и использования их для расчета основных параметров транзисторов.
5.2 Теоретическая часть 5.2.1 Основные сведения о транзисторах Транзистор [от англ. tran(sformer)(re)sistor – трансформируемый (преобразуемый) резистор] – 3-хэлектродный полупроводниковый элемент, в котором выходной ток регулируется входным током (биполярные транзисторы) или входным напряжением (полевые транзисторы). Транзисторы – активные полупроводниковые элементы (т.е. обладающие способностью усиления сигналов). Применяются в электрической и электронной аппаратуре для усиления и генерации сигналов, регулирования токов и напряжений, в качестве ключевых элементов и т.д. Транзисторы были изобретены в середине XX века: 1946-48 гг. – полевой транзистор, 1948-49 гг. – биполярный. В последнее десятилетие XX века появились новые типы транзисторов – IGBT, SIT и др. Большинство интегральных микросхем (ИМС), в основном построены, как совокупность большого числа транзисторов (от десятков – до миллионов штук в одной микросхеме). В качестве дискретных элементов – наибольшее распространение получили биполярные транзисторы. Значительная часть ИМС (особенно – цифровых) построена на полевых транзисторах.
5.2.2 Устройство и принцип действия полевого транзистора
Полевой транзистор (ПТ) полностью соответствует своему англоязычному названию– tran(sformer)(re)sistor. В самом общем виде его устройство показано на рисунке 7 В основе лежит кристалл полупроводника с проводимостью n- или p-типа. К двум граням этого кристалла через невыпрямляющий контакт металл-полупроводник подсоединены внешние выводы, называемые исток и сток. На поперечные грани кристалла нанесен слой диэлектрика и металлические пластины, к которым, в свою очередь, подключены электроды, называемые затвор и подложка(этот электрод часто не выведен наружу, а соединен с истоком). ПТ часто называют униполярным, так как в процессе протекания электрического тока (между истоком и стоком) участвуют носители электричества только одного знака — электроны или дырки.
Рисунок 5.1 Структура полевого транзистора Основные физические процессы. Приведенное здесь описание дает только самое общее представление о реальных физических процессах в ПТ. Конструктивные особенности реальных ПТ обуславливают довольно большое разнообразие картины протекания токов в транзисторе, но качественно они не выходят за рамки приведенного ниже описания. При отсутствии напряжения на затворе (Uзи=0), ток между стоком и истоком протекает под воздействием «продольное» электрического поля, созданного напряжением Uси. При этом траектория движения электронов прямолинейна – канал имеет одинаковое сечение по всей длине. При подаче на затвор напряжения отличного от нуля в кристалле возникает «поперечное» электрическое поле, которое, складываясь с «продольным» изгибает силовые линии в ту или иную сторону, соответственно изменяя сечение канала. Изменение сечения канала приводит к изменению его сопротивления – т.е. сопротивлению между истоком и стоком. В случае сужения канала его сопротивление растет, и при достаточной напряженности «поперечного» поля канал полностью «разрывается» (сопротивление становится бесконечным). Таким образом, изменяя напряжение Uзи можно управлять сопротивлением исток-сток, а значит и величиной тока Iс. Основное свойство транзистора – способность к усилению сигнала базируется именно на этой зависимости, которая приблизительно описывается формулой: Iс =SUзи. где S – крутизна сток-затворной характеристики ПТ, показывающая – насколько изменится ток Iс стока при увеличении Uзи на 1 В. Размерность данного коэффициента [A/B]. Таким образом, если изменять величину Uзи во времени, то ток Iс будет изменяться пропорционально, повторяя форму временной диаграммы Uзи(t). При этом, поскольку Iз = 0 (ток не течет через диэлектрик) мощность, затрачиваемая на управление так же будет нулевой. В то же время, ток Iс совершает в выходной цепи полезную работу. В этом и заключается эффект усиления полевого транзистора – выходной ток Iс и мощность, рассеиваемая на нагрузкеуправляется входным напряжением Uзи без затрат мощности на управление.
5.2.3 Устройство и принцип действия биполярного транзистора
Биполярный транзистор (БТ) в своей основе содержит три слоя полупроводника (p-n-p или n-p-n) и соответственно два p-n-перехода. Каждый слой полупроводника через невыпрямляющий контакт металл-полупроводник подсоединен к внешнему выводу. Транзистор называют биполярным, так как в процессе протекания электрического тока участвуют носители электричества двух знаков — электроны и дырки. Средний слой и соответствующий вывод БТ называют базой, один из крайних слоев и соответствующий вывод называют эмиттером, а другой крайний слой и соответствующий вывод — коллектором. Схематическое, упрощенное изображение структуры транзистора типа n-p-n приведено на рисунке 5.2.
Рисунок 5.2 Структура биполярного транзистора Транзистор типа p-n-p устроен аналогично – разница лишь в ином типе проводимости соответствующих областей (эмиттера, базы и коллектора). Транзисторы типа n-p-n более распространены в сравнении с транзисторами типа p-n-p, так как обычно имеют лучшие параметры. Это объясняется следующим образом: основную роль в электрических процессах в транзисторах типа n-p-n играют электроны, а в транзисторах типа p-n-p — дырки. Электроны же обладают подвижностью в два-три раза большей, чем дырки. У реальных БТ площадь коллекторного перехода значительно больше площади эмиттерного перехода, так как такая асимметрия значительно улучшает свойства транзистора. Количественное своеобразие структуры транзистора. В основе работы биполярного транзистора лежат те же физические процессы, что и в полупроводниковом диоде. Своеобразие транзистора определяется особенностями его конструкции. Основными элементами транзистора являются два соединенных p-n-перехода. Для понимания принципа работы транзистора исключительно важно учитывать, что p-n-переходы транзистора сильно взаимодействуют. Это означает, что ток одного перехода сильно влияет на ток другого, и наоборот. Указанное взаимодействие имеет исключительно простую главную причину, а именно: очень малое расстояние между переходами транзистора (от 20—30 мкм до 1 мкм и менее). Это расстояние называют толщиной базы. Именно эта количественная особенность структуры создает качественное своеобразие транзистора. Основные физические процессы. Концентрация атомов примеси (и свободных электронов) в эмиттере сравнительно велика, поэтому этот слой низкоомный. Концентрация атомов примеси (и дырок) в базе сравнительно низка, поэтому этот слой высокоомный. Концентрация атомов примеси (и свободных электронов) в коллекторе может быть как больше концентрации атомов примеси в базе, так и меньше ее. С помощью источников напряжения сместим эмиттерный переход в прямом, а коллекторный – в обратном направлении. Тогда через эмиттерный переход потечет ток Iэ, который будет обеспечиваться главным образом инжекцией электронов из эмиттера в базу. Инжекция дырок из базы в эмиттер будет незначительна из-за указанного выше различия в концентрации атомов примесей. Из-за малой толщины базы почти все электроны, пройдя базу, через так называемое время пролета достигают коллектора. Только малая доля электронов рекомбинирует в базе с дырками. Убыль этих дырок компенсируется протеканием тока базы Iб. Таким образом – Iб << Iэ. Обратное смещение коллекторного перехода способствует тому, что электроны, подошедшие к нему, захватываются электрическим полем перехода и переносятся в коллектор. Таким образом, ток коллектора Iк лишь незначительно меньше тока эмиттера, т. е. Iк ≈ Iэ. Основное свойство транзистора – способность к усилению сигнала базируется на существовании зависимости токов Iк и Iэ от Iб. Данная зависимость приблизительно описывается формулами: Iк = βст Iб, Iэ = (βст+1) Iб, где βст – статический коэффициент передачи тока базы (термин статический подчеркивает тот факт, что этот коэффициент связывает постоянные токи). Типичное значение для современных транзисторов – β ≈ 100-:-300. Таким образом, если изменять величину тока Iб во времени, то токи Iк и Iэ будут изменяться пропорционально, повторяя форму временной диаграммы Iб(t), но при этом, их величины будут в сотни раз большими. В этом и заключается эффект усиления биполярного транзистора – большой выходной ток Iк (Iэ) управляется малым входным током Iб.
5.2.4 Основные характеристики и параметры биполярных и полевых транзисторов Наиболее полное представление о свойствах транзистора дают его вольт-амперные характеристики (ВАХ). Поскольку транзистор – 3-х электродный элемент – потенциально существует множество его ВАХ. Принято использовать ВАХ, снятые для определенных схем включения транзистора. Понятие схемы включения в данном случае означает, что один из электродов транзистора используется в качестве входного (на него подается входной сигнал), другой – в качестве выходного (с него снимается выходной сигнал), а третий – в качестве общего для входа и выхода. По названию общего электрода называют схему включения. Для БТ используют следующие схемы включения: - схема с общей базой (ОБ); - схема с общим эмиттером (ОЭ); - схема с общим коллектором (ОК). Для ПТ используют следующие схемы включения: - схема с общим затвором (ОЗ); - схема с общим истоком (ОИ); - схема с общим стоком (ОС). Для каждой схемы включения транзистора потенциально можно снять 4 типа ВАХ: - входные ВАХ – Iвх = F(Uвх)| Uвых = const или Iвых = const; - выходные ВАХ – Iвых = F(Uвых)| Uвх = const или Iвх = const; - переходные ВАХ – Iвых = F(Uвх)| Uвых = const или Iвх = const; - обратные ВАХ – Iвх = F(Uвых)| Uвх = const или Iвых = const; Примечание. Т.к. каждый тип ВАХ показывает зависимость только одного тока от одного напряжения – один из 2-х оставшихся параметров (ток или напряжение) фиксируют на определенном уровне, а другому позволяют свободно изменяться. Например, для входной ВАХ исследуют зависимость Iвх отUвх при Uвых = const1. Так получают одну ВАХ (одну линию на графике). Затем изменяют величину Uвых = const2 и вновь снимают ВАХ (вторую линию на графике) и т.д. В итоге получают семейство ВАХ. На практике используются далеко не все типы ВАХ, а лишь те, которые несут максимум информации о свойствах транзистора. Для БТ основными являются входные и выходные ВАХ. Например – для схемы ОЭ – это Iб = F(Uбэ)| Uкэ=const и Iк = F(Uкэ)| Iб=const - типичный вид этих ВАХ приведен на рисунке 5.3. Наиболее используемые на практике – выходные ВАХ.
а) б)
Рисунок 5.3 Типовые ВАХ БТ, включенного по схеме ОЭ: а) входные, б) выходные. Для ПТ основными являются выходные и переходные ВАХ. Например – для схемы ОИ – это Iс = F(Uси)| Uзи=const и Iс = F(Uзи)| Uси=const . Наибольшее использование имеет переходная ВАХ – ее типичный вид приведен на рисунке 5.4
Рисунок 5.4 Типовые переходные ВАХ ПТ, включенного по схеме ОИ Порядок выполнения работы Схемы лабораторной установки для снятия ВАХ приведены на лицевой панели лабораторной установки. Там же указаны номиналы резисторов, необходимые для расчета протекающих по ним токов. Требуется: - Снять семейство выходных ВАХ биполярного транзистора, изобразить их в виде графиков Iк = f(Uкэ)\Iбi=const . и по ним определить величины β ≈ ΔIк/(Iбi+1 – Iбi)|Uкэ=const – для разных участков ВАХ: - Uкэ = 3 В, Iбi = Iб1 ; - Uкэ = 10 В, Iбi = Iб1 ; - Uкэ = 3 В, Iбi = Iб3 ; - Uкэ = 10 В, Iбi = Iб3. Примечание 1. Измерение токовIк и Iбi производить косвенным методом – измеряя падения напряжения на соответствующих резисторах и вычисляя токи по закону Ома (I = UR/R). Сопротивления резисторов указаны на лицевой панели лабораторной установки. Примечание 2. При вычислении токовIбiпринять Uбэ ≈ 0,6 В. - Снять переходную (сток-затворную) ВАХ полевого транзистора, изобразить ее в виде графика Iс = f(Uзи)|Uси=const . и по ней определить величины: S ≈ ΔIc/ΔUзиt – для линейного участка ВАХ и Uотс. Примечание 3. Измерение токаIс производить косвенным методом – измеряя падения напряжения на соответствующем резисторе. Сопротивление резистора указано на лицевой панели лабораторной установки.
Требования к отчету
Отчет по лабораторной работе должен содержать: - цель работы; - принципиальные схемы установок для снятия ВАХ исследуемых транзисторов; - формулы, используемые для обработки экспериментальных данных; - полученные экспериментальные данные в виде таблиц; - графики ВАХ исследуемых биполярного и полевого транзисторов; - полученные по графикам ВАХ основные параметры исследуемых транзисторов.
5.5 Контрольные вопросы - По каким схемам включены транзисторы на рисунках? В чем заключаются различия данных схем и к чему они приводят?
а) б)
- Как называются семейства ВАХ транзистора, включенного по схеме ОЭ, приведенные на рисунках и что отражают эти названия?
а) б)
- Каковы типичные значения величин β, для современных маломощных транзисторов? - Как расшифровываются условные обозначения ОЭ, ОБ, ОК (для БТ) и ОИ, ОЗ, ОС (для ПТ)? Какой смысл несет в них слово «общий»? - Какие параметры являются управляющими и управляемыми у БТ и ПТ? - Каковы размерности параметров β (для БТ) и S (для ПТ) и в чем физический смысл данных величин?
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Электротехника и электроника: учебное пособие для вузов / В.В.Кононенко, В.И. Мишкович, В.В.Муханов, В.Ф.Планидин, П.М.Чеголин; под ред. В.В.Кононенко. – 5-е изд. – Ростов н/Д.: Феникс, 2008. – 778 с.: ил.
2. Рекус, Г.Г. Основы электротехники и промэлектроники в примерах и задачах с решениями [Текст] : учебн. пособие для студентов вузов, обучающихся по неэлектротехническим спец. направ. подготовки дипл. спец. в области техники и технологии: допущен М-вом образования и науки РФ / Г.Г. Рекус. – М.: Высш.шк., 2008. – 343 с.: ил.
|
;
