МУ Общая электротехника и радиоэлектроника СПГ (1). Методические указания по выполнению контрольной работы 1 для студентов заочной формы обучения по специальности 21. 05. 01 Прикладная геодезия, направлению подготовки 21. 03. 03 Геодезия и дистанционное зондирование
 Скачать 3.2 Mb.
|
|
1 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет геодезии и картографии» (МИИГАиК) Учебно-методическое пособие по дисциплине ОБЩАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И РАДИОЭЛЕКТРОНИКА методические указания по выполнению контрольной работы № 1 для студентов заочной формы обучения по специальности 21.05.01 Прикладная геодезия, направлению подготовки 21.03.03 Геодезия и дистанционное зондирование Составители: Колодеж Ю.В., доцент Савостин П.И., доцент Рекомендовано к использованию в учебном процессе МИИГАиК решением Редакционно-издательского совета (протокол № от « » 2021 г.) Рецензенты: Литвиненко М.В., декан Заочного факультета МИИГАиК, д.п.н. Кузнецов А.В. зав. Кафедрой Автоматика и управления, к.т.н., доцент, Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Московский политехнический университет» Москва 2021 г. 2 ОГЛАВЛЕНИЕ стр Введение 3 Задание для контрольной работы 4 Краткий учебник по общей электротехнике и радиоэлектронике. Вопросы для самоконтроля 4 Основные понятия электротехники 4 о сновные понятия электроники 36 Нелинейные цепи и их расчет 68 Аналоговые устройства электроники 71 Переходные процессы в электрических цепях 76 Резонанс в электрических цепях и беспроводная связь 80 Цифровая электроника 86 Пакетная передача данных 95 Методические указания по выполнению контрольной работы. Задание 1 100 Методические указания по выполнению контрольной работы. Задание 2 103 Требования к оформлению контрольной работы 108 Контрольные вопросы 109 Литература 109 Приложение А. Макет титульного листа контрольной работы 111 3 ВВЕДЕНИЕ Согласно учебному плану для студентов заочной формы обучения по специальности 21.05.01 Прикладная геодезия и направлению подготовки 21.03.03 Геодезия и дистанционное зондированиепредусматривается выполнение контрольной работы по курсу «Общая электротехника и радиоэлектроника», которую студенты выполняют самостоятельно до прибытия на сессию и присылают преподавателю на проверку. По результатам самостоятельной учебно-познавательной деятельности в ходе выполнения контрольной работы студент должен: Знать методы расчета цепей постоянного и переменного гармонического тока. Уметь - читать электрические и принципиальные электронные схемы, - понимать принципы работы электронных приборов, содержащих потенциальный барьер (p-n переход). Порядок допуска к защите контрольной работы во время очных занятий на сессии: Контрольные задания необходимо оформлять в отпечатанном виде, шрифт TimesNewRoman, 14, интервал 1,5; на листах формата А4. Работа должна быть оформлена в соответствии с приведенным примером, содержать необходимые для иллюстрирования расчетной части таблицы и рисунки. Результат проверки Действия студента Работа допущена к защите без исправлений Сделав исправления в работе, где это указано преподавателем, студент не присылает повторно работу на проверку, а приносит исправленную работу на очные занятия в распечатанном виде для защиты. Работа допущена к защите с исправлениями Работа не допущена к защите Сделав исправления в работе, где это указано преподавателем, студент присылает работу на проверку повторно, до тех пор, пока работа не будет допущена к защите без исправлений или с незначительными исправлениями. 4 ЗАДАНИЕ ДЛЯ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ Контрольная работа предусматривает выполнение двух заданий и ответы на контрольные вопросы. Цель контрольной работы: Освоение современных методов расчета цепей постоянного и переменного синусоидального тока, принципов работы электронных устройств. Задачи контрольной работы: Изучить теоретическую информацию, представленную в данном методическом пособии; В первом и втором задании рассчитать токи в ветвях. Результаты представить в виде таблицы; Ответить на контрольные вопросы. В ходе выполнения контрольной работы необходимо последовательно решить перечисленные выше задачи контрольной работы. Номер варианта определяется по последней цифре индивидуального шифра студента. КРАТКИЙ УЧЕБНИК по общей электротехнике и радиоэлектронике ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ Электрические заряды Электрический заряд — это связанное с телом свойство, позволяющее ему быть источником электрического поля и участвовать в электромагнитных взаимодействиях, по которым, собственно, и удаётся обнаружить заряд. Количественно сила взаимодействия двух зарядов оценивается законом Кулона. Именно взаимодействие (притягивание и отталкивание, и движение) электрических зарядов лежит в основе всей электротехники. Итак, заряд — это свойство тел, следовательно, заряд сам по себе (без носителя заряда, тела) не существует. Носителем элементарного заряда является электрон. Тела электрически нейтральны, то есть, количество 5 электронов, несущих отрицательный заряд, равно количеству протонов – частиц, несущих положительный заряд. Протон, являясь частью ядра атома, лишен возможности поступательного движения, в отличие от электрона, способного покинуть атом и двигаться (при наличии силы) поступательно. Электрическое и магнитное поля. Электрическое поле –этоодна из форм электромагнитного поля, создается электрическими зарядами или переменным магнитным полем. Через электрические поля происходит взаимодействие зарядов. Вокруг неподвижного заряда существует электростатическое поле. Если заряд двигается, то это поле приобретает свойства магнитного поля. Количественно поля оцениваются по силовому параметру и по энергетическому. Силовая характеристика говорит о силе, действующей на заряд, находящейся в данной точке поля. Энергетическая характеристика оценивает потенциальные возможности поля в данной точке (если бы там был заряд). Здесь очень близкая аналогия с потенциальной энергией, и называется эта величина – потенциал в данной точке любого силового поля, включая гравитационное поле. Потенциал - величина скалярная. В электротехнике единица измерения потенциала – Вольт. Силовая характеристика электрического поля называется: напряженность. Силовая характеристика магнитного поля называется: индукция. Надо помнить, что обе эти величины могут в разных точках поля иметь разные значения по величине и по направлению. Электрический ток Электрический ток создаётся направленным движением заряженных частиц – электронов, так как частицы с положительным зарядом (протоны) не могут перемещаться поступательно, так как находятся в ядре атома. Ток электронов называют электрическим током проводимости, или, чаще, физическим. Однако, исторически принято считать, что электрический ток – это направленное движение положительно заряженных частиц. Это «математический» ток. Именно его и используют при расчетах. Электрический ток может возникнуть только при одновременном выполнении двух условий: 6 Наличие электродвижущей силы (ЭДС), то есть электрического поля в проводах. Поле создаётся источником электрической энергии. Замкнутости проводов и потребителей энергии на источник электрической энергии, то есть провода с источником должны образовать замкнутый контур. Следует сразу отметить, что ток существует как постоянный, то есть, значение силы тока не зависит от времени, так и переменный, периодический (синусоидальный) так и не периодический, например, изменяющийся по экспоненте. Постоянный ток является частным случаем переменного синусоидального в случае, когда повторяемости, то есть периода нет или частота равна нулю. Электрическая цепь Так как электрический ток создаётся в замкнутом контуре при наличии ЭДС, то электрическая цепь — это замкнутое соединение электрических элементов. Нужно различать электрическую цепь и электрическую схему. Изображение электрической цепи с использованием условных изображений называется схемой. Электрические элементы делятся на: Источники электрической энергии; Потребители электрической энергии. Источники электрической энергии Следует отметить, что реально существуют только источники энергии. Здесь слово «электрической» опущено специально. Источники электрической энергии имеют свои особенности – они должны создавать ЭДС, то есть разность потенциалов на своих клеммах. Эта разность потенциалов создаётся внутри источника сторонней силой, например, вгальванических элементах это химическая реакция. Сторонняя сила заставляет двигаться электроны в одном направлении внутри источника и скапливаться (преодолевая взаимное отталкивание) у одного из полюсов источника. Этот полюс становится отрицательно заряженным. У другого полюса электронов не хватает, то есть 7 преобладает положительный заряд. Внутри источника на электроны действует электрическая сила притяжения к положительному полюсу, но их движению мешает сторонняя сила. Пока работает сторонняя сила, источник энергии способен создавать во внешней цепи ЭДС. При соединении полюсов снаружи проводником (создавая внешнюю цепь), электроны по проводу, уже под действием электрической силы (электрического поля) начнут перемещаться к положительному полюсу, создавая ток проводимости. Однако, следует запомнить (и очень крепко), что за положительное направление тока принято считать направление от точки с большим потенциалом (то есть от «плюса») к точке с меньшим потенциалом (то есть к «минусу»). Это основополагающее положение электротехники нужно помнить всегда, и оно действует на любом участке электрической цепи. Кроме участка внутри источника, но там всё решает сторонняя сила. Потребители электрической энергии Потребителей электрической энергии много. Они делятся на категории по надёжности. Это освещение, силовые установки и многое другое. Здесь речь пойдет о потребителях, встречающихся в электронных приборах. Диссипативный элемент. Это элемент цепи, который полностью рассеивает тепло, создаваемое в нём током, в окружающую среду. Этот элемент называют резистором. Резисторы характеризуются двумя основными параметрами: сопротивлением и мощностью рассеивания тепла. Последний параметр определяется исключительно размерами резистора. (От площади поверхности зависит теплоотдача). Резисторы в электрических цепях называют активными сопротивлениями. Реактивные элементы цепи. Название реактивные они получили за присущее им свойство при определённых условиях возвращать электроэнергию источнику. К ним относятся: индуктивность (накапливает магнитную энергию) и ёмкость (накапливает электрическую энергию). Следует помнить, что индуктивность и ёмкость — это свойства проводников, как и заряд, и в руки их взять нельзя. В руки можно взять катушку индуктивности и конденсатор. 8 Вопросы для самоконтроля 1. Что такое электрический ток? 2. Какое направление электрического тока и напряжения считаются положительными? 3. Условие возникновения электрического тока? 4. Количественная оценка характеристик электрических и магнитных полей? 5. На какие типы разделяют потребителей электрической энергии? Электрическая схема и её элементы Электрическая схема – это условное изображение электрической цепи , показывающее каким образом электрические элементы соединены между собой. Всего можно выделить три элемента схемы. Главным элементом схемы является узел. Узел – это соединение в одной точке трёх и более электрических элементов. Любой анализ электрической схемы всегда начинают с выявления узлов и их маркировки (см. рисунок. 1). Выявить узел помогают ветви. Ветвь – это последовательное соединение электрических элементов. Самая короткая ветвь – это один электрический элемент. Ветвь всегда начинается в одном узле, всегда заканчивается в другом узле и всегда содержит хотя бы один электрический элемент. Контур – это замкнутое соединение электрических элементов. Для анализа схемы имеют значение только независимые контура. Это такие контура в схеме, которые имеют хотя бы одну ветвь, принадлежащую только этому рассматриваемому контуру. Если все ветви уже разобраны другими контурами, то контур называется зависимым. Зависимых контуров может быть много и интереса они не представляют. Проведём анализ схемы, изображённой на рисунке 1. 9 Рисунок 1. Пример Электрической схемы В электротехнике много условностей, присущих только ей. Так сложилось исторически: Электрические величины, значение которых во времени не меняются, маркируются заглавными буквами: ток I, резистор R, источник ЭДС Е. Нижние индексы тока соответствуют индексам нагрузок, по которым они протекают. Например, 5 I протекает по R 5 Остриё стрелочки тока должно быть контурным, не залитым. Это касается только стрелочки тока, другие стрелочки залитые. Например, стрелочка источника энергии Е. Электрические соединения на схеме показываются черной точкой. Если провода пересекаются, а черной точки нет, то нет и электрического соединения. На приведённой схеме соединение не залито (точка пустая). Это означает, что в этих местах находится клемма, чтобы иметь возможность подключить какое-то дополнительное устройство. В электротехнике очень часто для краткости термин «сила тока» заменяется кратким – «ток». Не очень корректно говорить «ток протекает», хотя допустимо. Когда мы говорим «ток», то имеем в виду «силу тока», получается «сила протекает». Правильнее говорить, например, «ток в резисторе». 10 Итак, анализ начинаем с узлов. Смотрим, где соединяются три и более ветви. Получается всего 4 узла: узел А , узел Б, узел В и узел Г. Следует обратить внимание на следующее: если из схемы убрать резистор R 3 , оставив соединение проводом точек Б и Г, то узел Г пропадет и превратиться в точку «г» (если эта точка нужна для дальнейшего анализа). В нашем случае, там, где был узел Г, стал узел Б, (исчезла ветвь с резистором R 3 ), так как считается, что сопротивление проводов равно нулю (то есть им можно пренебречь). Схема имеет три независимых контура. Проще всего их рассматривать по ячейкам: левый треугольник, правый треугольник и нижний пятиугольник с ЭДС. Если рассмотреть еще один контур, например, самый большой, внешний, то он не имеет собственных ветвей, ветвь с R 1 уже принадлежит нижнему контуру, ветвь с R 2 уже принадлежит левому треугольнику, а ветвь с R 3 уже принадлежит правому треугольнику. Вывод: контур является зависимым от уже выбранных контуров. Схема имеет 6 ветвей, следовательно, шесть неизвестных токов (ток — это всегда между двух узлов, в ветви). Внутри ветви сила тока измениться не может, так как сила тока зависит от заряда, заряд – от количества электронов, а оно внутри ветви измениться не может. Ток не меняется от узла до узла. Если электрическая цепь (схема) не имеет источника электрической энергии, то она называется пассивной. Основной Закон электротехники (Закон Ома) Закон Ома – это основополагающийзакон электротехники. Он связывает между собой три величины: ток, сопротивление и напряжение. Его нужно не просто знать, его нужно чувствовать. Почувствовать закон Ома просто, достаточно понять электрическое сопротивление. Электрическое сопротивление – это сопротивление движению заряженных частиц, то есть току, следовательно, чем больше сопротивление, тем меньше сила тока. Это самая приемлемая формулировка закона Ома. Она отражает его суть. Сопротивлениеопределяет силутока (так как источник электрической энергии стабилен и не меняется, он задаёт начальные условия). Существуют три разновидности закона Ома: 11 Закон Ома для пассивного участка цепи (то есть, на участке только резистор); Закон Ома для активного участка цепи. На участке кроме резистора есть источник энергии; Закон Ома в дифференциальной форме (для цепей переменного, не обязательно периодического, тока). Закон Ома для участка цепи Это самая простая форма закона Ома. R U I Все три параметра: I – сила тока, U- напряжение и R – сопротивление относятся к одному пассивному участку электрической цепи (ветви или её части) , поэтому бессмысленно применять эту формул у, не определив совершенно четко начало участка и его конец. На рисунке 1а выделим участок от узла А через узел В к узлу Г. Применить указанную формулу для этого участка нельзя, т.к. на участке два тока и, следовательно, две ветви, хотя участок пассивный. Выделим участок от узла Г через R 1 до узла А. Хотя это одна ветвь, но она активная и применить указанную формулу также нельзя. Но для участка, содержащего только сопротивление R 1 (пассивный участок этой ветви), её применить можно. Ещё одно очень важное замечание. Величины I и U могут быть как положительными, так и отрицательными. Как и везде их знак определяется в зависимости от выбранного положительного направления. Здесь надо помнить, что эти величины не вектора, а направление нужно понимать, как направление движения положительных зарядов по проводнику. (Смотри раздел «Источники электрической энергии»). На рисунке 1 ток I 2 имеет направление от узла А к узлу Б, тем самым подразумевается, что узел А имеет потенциал выше, чем узел Б. Такое же направление на этом участке должно иметь напряжение U. Отсутствие индексов у напряжения не совсем корректная запись. Правильнее было бы написать: 2 I = 2 R U БА = 2 R U АБ , в знаменателе стоит сопротивление R 2 , сопротивление этого участка. Напряжение U АБ = (φ А - φ Б ) > 0, U БА = (φ Б - φ А ) < 0, где φ А и φ Б потенциалы электрического поля в проводнике в точках (узлах) А и Б. 12 Как видно из выше сказанного «не такая это «самая простая» форма закона Ома. |