Исследование потерь в линиях элетропередач

Цель работы:

исследовать линии электропередач и установить основные закономерности потери напряжения в проводах при передаче электроэнергии на расстоянии.

Подготовка к работе:

При большой протяженности линии электропередач приходится считаться с их сопротивлением, при котором происходит заметное падение напряжения.

Удельное сопротивление ρ проводов

из меди 0,0175•10^-3 Ом•м

из алюминия 0,029•10^-3 Ом•м

из стали (0,13 - 0,25) •10^-3 Ом•м

Ток, проходя по проводнику, испытывает препятствие со стороны проводника, и, преодолевая это препятствие, затрачивает энергию. В результате, потенциал источника тока постепенно падает и напряжение в конце линии понижается относительно начала на величину:

∆U=U₁-U₂ , где U₁ – напряжение в начале линии

U₂ – напряжение в конце линии

Падение напряжение можно определить по закону Ома:

∆U=I•R

где R – сопротивление проводов, I – ток в проводах, ρ – удельное сопротивление,

l – длина провода, S – площадь сечения проводов.

При изменении нагрузки от нуля до номинальной изменяется и потеря напряжений. Падение напряжения не должно превышать 2%, а для электродвигателей 5-10% от номинального значения напряжения.

Мощность потерь ∆P=U•I=P₁-P₂

Коэффициент полезного действия линии электропередач (КПД)

Порядок выполнения работы

1. Собрать схему, изображенную на рисунке 1.

2. После проверки преподавателем включить схему на рабочее напряжение.

3. Увеличивая нагрузку (включая лампочки), записать показания амперметра и вольтметра.

4. Определить потерю напряжения ∆U по показанию вольтметров.

5. Произвести расчеты и результаты свести в таблицу 1.

Формулы для расчетов:

∆U=U₁-U₂ ∆P=P₁ - P₂ ∆U=I•R

P₁=U₁•I P₂=U₂•I S=0,5 мм²

Где l – длина провода, S – площадь сечения провода, ρ – удельное сопротивление провода.

Контрольные вопросы:

1. Сделать вывод по результатам расчётов, как изменяется КПД в зависимости от

нагрузки.

2. Почему в проводниках большой протяжённости возникают потери напряжения?

3. Какие меры принимают для снижения величины потерь?

Таблица 1

Результаты опытов и наблюдений	Расчетные величины
№	Материал	Лампы	U1	U2	I	∆U	P1	P2	∆P	l	η (КПД)
	медь	шт.

Рис. 1

Практическая работа №17

БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР

Цель работы: Изучить принцип работы, схемы включения, усилительные свойства и характеристики биполярных транзисторов.

Вопросы к работе:

1. Дать определение транзистора и его областей: эмиттер, коллектор, база.

2. Каким образом происходит усиление сигнала в транзисторе?

3. Записать определение и величину коэффициента усиления по току.

4. Что называют тепловым током?

5. Какими сопротивлениями обладают эмиттерный и коллекторный переходы?

6. Начертить схемы включения транзисторов:

а) с общей базой

б) с общим эмиттером

в) с общим коллектором

7. Начертить статические характеристики биполярного
транзистора p-n-p-типа. включенного по схеме с общим
эмиттером. Дать пояснение.

8. Пояснить устройство плоскостного германиевого
транзистора p-n-p-типа.

9. Достоинства и недостатки биполярных транзисторов.

10. Рассмотрев схемы включения транзисторов, заполнить
таблицу 1:

Таблица 1

Параметры	Схема ОЭ	Схема ОБ	Схема ОК
К I
К U
КР
Rвх
Rвых
Фазовый сдвиг между Uвых и Uв х

Транзистором называется полупроводниковый прибор с двумя р-n-переходами, предназначенный для усиления и генерирова­ния электрических колебаний и представляющий собой пластину крем­ния или германия, состоящую из трех областей. Две крайние области всегда обладают одинаковым типом проводимости, а средняя — про­тивоположной проводимостью. Транзисторы, у которых крайние об­ласти обладают электронной проводимостью, а средняя — дырочной проводимостью, называются транзисторами n-p-n-типа (рис.1, а): транзисторы, у которых крайние области обладают дырочной, а сред­няя электронной проводимостями — транзисторами р-n-р-типа (рис.1, б). Физические процессы, происходящие в транзисторах двух типов, аналогичны и различие между ними заключается в том, что по­лярности включения источников питания их противоположны, а также в том, что если в транзисторе n-p-n -типа электрический ток создается в основном электронами, то в транзисторе р-n-р-типа — дырками. Смежные области, отделенные друг от друга p-n-переходами, называ­ются эмиттером Э, базой Б и коллектором К.

Эмиттер является областью, испускающей (эмиттирующей) но­сители зарядов электронов в транзисторе n-p-n -типа и дырок в тран­зисторе р-n-р-типа, коллектор — область, собирающая носители зарядов, б а з а — средняя область, основание.

В условиях работы транзистора к левому р-n-переходу приклады­вается напряжение эмиттер — база U_э впрямом направлении, а к правому р-n-переходу—напряжение база—коллектор Uк — в обрат­ном. Под действием электрического поля большая часть носителей зарядов из левой области (эмиттера), преодолевая р-n-переход, пере­ходит в очень узкую среднюю область (базу). Далее большая часть но­сителей зарядов продолжает двигаться ко второму переходу и, прибли­жаясь к нему, попадает в электрическое поле, созданное внешним ис­точником U_K. Под влиянием этого поля носители зарядов втягиваются в правую область (коллектор), увеличивая ток в цепи батареи Uк .

Коллектор

Если увеличить напряжение Uэ, то возрастает количество носителей зарядов, перешедших из эмиттера в базу, т. е. увеличится ток эмиттера на некоторую величину ΔIэ. При этом также увеличится ток коллекто­ра на величину ΔIк.

Эмиттер База Коллектор

Рис. 1. Принцип работы и условное обозначение транзистора: a —n-p-n, б—р-п-р

В базе незначительная часть носителей зарядов, перешедших из эмиттера, рекомбинирует со свободными носителями зарядов проти­воположной полярности, убыль которых пополняется новыми носите­лями зарядов иа внешней цепи, образующими ток базы I_б. Таким обра­зом, ток коллектора Iк=Iэ-Iб окажется меньше тока эмиттера, незначительно отличаясь от последнего. Отношение α=ΔIк/ΔIэ, при Uк=const называется к о э ф ф и ц и е н т о м у с и л е н и я п о т о к у и обычно имеет значение α=0,9÷0,995.

Если цепь эмиттер — база разомкнута и ток в ней равен нулю

Iэ=0, а между коллектором и базой приложено напряжение Uк, то в цепи коллектора будет проходить небольшой обратный (тепловой) ток I_ко, обусловленный неосновными носителями зарядов. Этот ток в сильной степени зависит от температуры и является одним из пара­метров транзистора (меньшее его значение соответствует лучшим ка­чествам транзистора).

Так как левый (эмитгерный) р-n-переход находится под прямым напряжением, то он обладает малым сопротивлением. На правый же (коллекторный) p-n-переход воздействует обратное напряжение и он имеет большое сопротивление. Поэтому напряжение, прикладываемое к эмиттеру, весьма мало (десятые доли вольта), а напряжение, подавае­мое на коллектор, может быть достаточно большим (до нескольких де­сятков вольт). Изменение тока в цепи эмиттера, вызванное малым на­пряжением Uэ, создает примерно такое же изменение тока в цепи коллектора, где действует значительно большее напряжение U_к, в резуль­тате чего транзистор осуществляет усиление мощности.

При работе транзистора в качестве усилителя электрических коле­баний входное переменное напряжение U_вх (сигнал, подлежащий уси­лению) подают последовательно с источником постоянного напряжения смещения (U_см„ между эмиттером и базой, а выходное напряжение U_вых (усиленный сигнал) снимается с нагрузочного резистора R_н.

Рис. 2. Схемы включения с общей базой, общим эмиттером, общим коллектором транзисторов:

а - n-p-n, б -р-п-р

Возможны три схемы включения транзисторов n-р-n-типа (рис. 2, а) и р-n-р-типа (рис. 2, б): с общей базой ОБ, с общим эмиттером ОЭ и с общим коллектором ОК. Название схемы показы­вает, какой электрод транзистора является общим для входной и вы­ходной цепей. Схемы включения транзисторов отличаются своими свой­ствами, но принцип усиления колебаний остается одинаковым.

В схеме с общей базой положительное приращение напряжения на входе ΔU_вх вызывает увеличение тока эмиттера I_э, что приводит к увеличению как тока коллектора I_к так и напряжения выхода ΔU_вых причем ΔU_вых » ΔU_вх .

В схеме с ОБ источник входного напряжения включен в цепь эмиттер — база, а нагрузка и источник питания — в цепь коллек­тор - база. Входное сопротивление схемы с ОБ мало (несколько омов или десятков омов), так как эмитгерный переход включен в пря­мом направлении. Выходное сопротивление схемы, наоборот, велико (сотни килоомов), так как коллекторный переход включен в обратном направлении. Малое входное сопротивление схемы с ОБ является су­щественным ее недостатком, ограничивающим применение ее в усили­телях. Через источник входного сигнала в этой схеме проходит весь ток эмиттера, и усиления по току не происходит (коэффициент усиле­ния по току α<1). Усиление по напряжению и по мощности в этой схеме может достигать нескольких сотен.

Всхеме с общим эмиттером ОЭ источник входного напряжения включен в цепь эмиттер — база, а сопротивление нагрузки R_н„ и источник питания — в цепь эмиттер — коллектор, так что эмиттер является общим электродом для входной и выходной цепей. Входное сопротивление схемы с ОЭ больше, чем у схемы с ОБ, так как входным током в ней является ток базы, который много меньше тока эмиттера и тока коллектора. Это сопротивление составляет сотни омов. Выход­ное сопротивление схемы с ОЭ велико и может составлять до ста кило-омов. Коэффициент усиления по току β в этой схеме определяется как отношение приращения тока коллектора ΔI_к к приращению тока базы ΔI_б при постоянном напряжении на коллекторе, т. е. β= ΔI_к / ΔI_к при U_к=const и может иметь значения β=10÷200 для различных транзисторов. Учитывая равенства

I_э= I_к- I_б, α= ΔI_к/ ΔI_э

получим

Коэффициент усиления по напряжению К_U для схемы с ОЭ того же порядка, что и для схемы с ОБ. Коэффициент усиления по мощности К_P=К_iК_U во много раз больше, чем в схеме с ОБ.

В схеме с общим эмиттером ОЭ при усилении входного напряжения происходит поворот фазы выходного напряжения на половину пе­риода, т. е. на 180°, как это видно из схемы: положительные прира­щения входного напряжения вызывают отрицательнее приращение выходного и наоборот.

В схеме с общим коллектором ОК источник входного напряжения включается в цепь базы, а источник питания и сопротивление на­грузки — в цепь эмиттера. Входным током является ток базы, а вы­ходным — ток эмиттера. Коэффициент усиления по току для этой схемы

Входное сопротивление схемы с ОК велико (десятки килоомов) а выходное сопротивление мало (до 1÷2 кОм). Коэффициент усиления по напряжению схемы с общим коллектором ОК К_U=0,9÷0,95 т е близок к единице, и эту схему часто называют эмиттерным повтори­телем. Схема с общим коллектором ОК используется для согласования отдельных каскадов усиления, источника сигнала или нагрузки с усилителем.

Рис.

3. Статические характеристики транзистора типа р-п-р, включенного по схеме с общим эмиттером:

а – входные , б – выходные

Характеристиками транзистора называются зависимости между токами и напряжениями во входной и выходной цепях. При разных схемах включения транзистора входные и выходные цепи различны, следовательно, и характеристики представляют собой зависимости различных величин для каждой схемы включения.

Так, для схемы с общим эмиттером ОЭ входной цепью является цепь базы и входная характеристика отражает зависимость тока базы от напряжения эмиттер — база при постоянном напряжении между эмиттером и коллектором, т. е. I_б = f (U_эб) при U_эк=const. Выходной цепью для этой схемы является цепь коллектора и выходной характе­ристикой — зависимость тока коллектора от напряжения эмиттер — коллектор при неизменном токе базы, т. е. I_к = f (U_эк) при I_б=const. На рис. 3, a и б показан примерный вид входных и выходных характеристик транзистора типа p-n-p. При малых значениях напря­жения между эмиттером и базой U_эб ток базы растет медленно из-за большого сопротивления р-n-перехода, которое с увеличением тока уменьшается. С увеличением коллекторного напряжения U_эк входные характеристики смещаются вправо, т. е. с увеличением U_эк необ­ходимо повысить напряжение U_эб, для того чтобы ток базы остался

неизменным. Выход­ные характеристики показывают, что в рабочей области на­пряжение U_эк незна­чительно влияет на коллекторный ток I_к , так как в основном он зависит от количе­ства дырок, инжек­тируемых в базу, т. е. от тока эмиттера.

Рис. 4. Устройства плоскостного германиевого тран­зистора типа р-п-р:

1 — кристаллодержатель, 2 — коллекторный переход, 3 — база, 4 — вывод базы, 5 —вывод эмиттера, 6 — эмиттер, 7— эмиттерный переход, 8 — коллектор, 9 — вывод коллектора

Устройство плос­костного германиево­го транзистора р-п-р-типа показано на рис. 4. Базой является пластина 3 из кристаллического германия с электронной проводимостью. С двух сторон в пластину вплавлены индиевые электроды, служащие эмиттером 5 и коллекто­ром 8. При плавлении индия между каждым из этих электродов и гер­маниевой пластиной — базой образуются области с дырочной прово­димостью и создаются эмиттерный 7 и коллекторный 2 р-n-переходы. Коллектор 8 крепится на кристаллодержателе 1, от которого наружу проходит вывод коллектора 9. Выводы от эмиттера 5 и базы 4 изоли­рованы от корпуса стеклянными проходными изоляторами. Транзис­тор помещается в металлический корпус.

Транзисторы по сравнению с электронными лампами имеют сле­дующие преимущества: большую механическую прочность и долго­вечность, постоянную готовность к работе, малые габариты и массу, низкое напряжение питания и высокий кпд; кроме того, отсутствует цепь накала и, следовательно, упрощена схема и нет потребления мощности для разогрева катода.

К недостаткам транзисторов относится зависимость режима ра­боты его от температуры окружающей среды, небольшая выходная мощность, чувствительность к перегрузкам, разброс параметров, вследствие которого отдельные транзисторы одного типа значительно отличаются друг от друга по своим параметрам.

Практическая работа №18