Енератор незатухаючих коливань

Електричні автоколивальні системи надзвичайно широко використовуються в сучасній техніці для одержання незатухаючих електромагнітних коливань високої частоти. Прин­цип дії цих систем значною мірою збігається з принципом дії механічних автоколивальних систем. Електрична автоколивальна система містить коливальний контур, підсилювач коливань і джерело електричної енергії (батарею). Між коливальним контуром і підсилювачем має існувати зворотний зв'язок - коливання з контуру передаються у підсилювач, підсилюються за рахунок джерела енергії і повертаються назад у коливальний контур. Дуже важливо, щоб коливання, які передаються від підсилювача в контур, збігалися за фазою з коливаннями у самому контурі.

Існує багато автоколивальних систем як з електронними лампами, так і з транзисторами.

Рис. 4.4. Генератор незатухаючих коливань

На рисунку 46 показано спрощену схему електричної автоколивальної системи - автогенератора електромагнітних коливань на транзисторі. Коливальний контур LС приєднаний до джерела постійної ЕРС послідовно з транзистором. коло тран­зистора - приєднана котушка, індуктивно пов'язана з коливальним контуром. Цю котушку називають котушкою зворотного зв'язку. Паралельно коливальному контуру увімкнутий електронний осцилограф для спостереження електромагнітних коливань. Генератор живиться від джерела постійної напруги.

Генератори незатухаючих коливань на транзисторах надійні в роботі, мають високий ККД, можуть працювати від малопотужних джерел живлення за надзвичайно низьких напруг, дають змогу широко варіювати частоту, інтенсивність і форму коливань.

4.3. ЗМІННИЙ СТРУМ, ЙОГО ХАРАКТЕРИСТИКИ І ДОБУВАННЯ

План лекції

4.3.1. Змінний електричний струм. Добування змінного струму

4.3.2. Діючі значення сили змінного струму і напруги

4.3.3. Зсув фаз між струмом і напругою

4.3.1. ЗМІННИЙ ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ. ДОБУВАННЯ ЗМІННОГО СТРУМУ

Змінним електричним струмом називають такий струм, сила і напруга якого змінюються за величиною і напрямом. Технічним або синусоїдальним називають змінний струм, в якому сила струму і напруга змінюються за законом синуса. Такий струм можна утворити, якщо рамку з провідника рівномірно обертати в однорідному магнітному полі відносно осі, перпендикулярної до напряму ліній магнітної індукції (рис. 4.5).

Рис. 4.5. Добування змінного струму

Магнітний потік, який пронизує кон­тур рамки, виражається так:

, (4.15)

де - фаза, або кут між напрямом нормалі до площини рамки і напрямом вектора ; - циклічна частота; S - площа рамки; Ф_{0 -} максимальне значення магнітного потоку (при ).

Генерація змінної ЕРС базується на явищі електромагнітної індук­ції. Величину ЕРС для рамки з n витків визначають так:

, (4.16)

де - амплітудне значення ЕРС.

Для знімання ЕРС, яка індукується в рамці, кінці провідника кріплять до контактних кілець; від кілець через контактні щіточки ЕРС вмикають у коло споживача.

Очевидно, коли б кільця були замінені двома півкільцями, в зовнішній частині кола був би пульсуючий струм одного напряму.

Зазначимо, що описану конструкцію генератора змінного струму використовують рідко, тільки в малопотужних генераторах. Суть у тому, що за допомогою ковзних контактів практично неможливо відвести від генератора потужний струм високої напруги. Теплова дія струму та іскріння на контактах зумовили б швидке руйнування їх. Практично генератори конструюють так, що змінний струм інду­кується в нерухомій обмотці (вона вкладається в пази на внутрішній поверхні пластинчастого феромагнітного статора), а обертальною складовою частиною - ротором - є двополюсний або багатополюсний електромагніт (з чергуванням полюсів). Останній живиться порівняно слабким постійним струмом, що подається через контактні кільця КК (рис. 4.6 - обмотки електромагнітів не показано).

Рис. 4.6. Будова генератора змінного струм

Обмотку, в якій індукується ЕРС, називають якорем, рухому магнітну систему -індуктором.

Для технічних цілей в СНД використовують змінний струм з частотою = 50 Гц. Щоб добути такий струм за допомогою двополюсного індуктора, його приводять в обертання з частотою 3000 об/хв (розміщуючи безпосередньо на валу паротурбіни). Змінний струм має відмінні властивості від постійного струму. Ці відмінності наоч­но виявляються при вмиканні в коло індуктивності або ємності.

1. Якщо в коло постійного струму ввімкнути котушку з рухомим залізним осердям, а індикатором - лампу розжарювання, то можна побачити, що зміна індуктивності (введення в котушку залізного осердя) на величину струму не впливає.

Якщо індуктивність міститься в колі змінного струму, то із збільшенням індуктивності (поступовим введенням у котушку заліз­ного осердя) струм зменшується. Індуктивність у колі змінного струму становить певний опір (але без виділення теплоти), його називають реактивним опором.

2. Якщо в коло постійного струму ввімкнути батарею конденса­торів змінної ємності, то при будь-якій її ємності струму не буде (конденсатор розриває коло). Якщо ємність увімкнена в коло змінного струму - струм існує і тим більший, чим більшу ємність ввімкнено в коло. Ємність у колі змінного струму становить певний реактивний опір, обернено про­порційний до величини ємності.

Заряджені частинки, що утворюють постійний струм, рухаються хоч і повільно, але весь час в одному напрямі з незмінною швидкістю. У змінному струмі напрям руху заряджених частинок змінюється відповідно до змін ЕРС.

Технічний змінний струм називається квазістаціонарним, оскільки довжина його електромагнітної хвилі = сТ = 6 • 10³ км (с - швидкість світла у вакуумі) дуже велика порівняно з довжиною провідників кола. При цьому сила струму в будь-який момент часу практично однакова на всіх ділянках кола. До квазістаціонарного струму можна застосувати закони Кірхгофа.

Переваги змінного струму над постійним у тому, що його можна легко

трансформувати з однієї напруги в іншу; його також простіше генерувати, ніж постійний струм.

4.3.2. ДІЮЧІ ЗНАЧЕННЯ СИЛИ ЗМІННОГО СТРУМУ І НАПРУГИ

Зануримо в калориметр з водою спіраль і деякий час пропус­катимемо по ній змінний струм. Повторимо цей дослід з постійним струмом, причому підберемо його так, щоб у калориметрі за той самий час виділилась така сама кількість теплоти. Ми звели дію змінного струму за енергетичним ефектом до дії постійного струму.

Діюче, або ефективне, значення сили змінного струму І_еф дорівнює силі такого постійного струму, який за той самий проміжок часу виділяє в деякому опорі таку саму кількість тепла, як і даний змінний струм.

Співвідношення між ефективними і амплітудними зна­ченнями сили і напруги змінного струму:

, . (4.17)

Амперметр і вольтметр у колі змінного струму показують не миттєві й не максимальні значення струму і напруги, а ефективні. Якщо вольтметр у колі змінного струму показує 220 В ( = 220 В), то . Отже, напруга змінного струму набуває значень у межах від +311 В до 0 і від 0 до -311 В.

4.3.3. ЗСУВ ФАЗ МІЖ СТРУМОМ 1 НАПРУГОЮ

У колі змінного струму внаслідок дії ємності й індуктивності може виникнути різниця фаз (зсув фаз) між напругою і струмом - напруга і сила струму неодночасно досягають нульових та амплі­тудних значень. Напруга може випереджати струм і навпаки. Нехай, наприклад, напруга випереджає струм за фазою на = 45°.

, (4.18)

Рис. 4.7. Зсув фаз між силою струму і напругою

Графіки цих рівнянь зображено на рис. 4.7 (по осі абсцис відкла­дено час t або відповідну фазу . Синусоїди u та і зміщені між собою на 45°.

4.4. КОЛО ЗМІННОГО СТРУМУ З ОПОРОМ, ІНДУКТИВНІСТЮ І ЄМНІСТЮ. РЕЗОНАНС

План лекції

4.4.1. Коло змінного струму з опором, індуктивністю і ємністю

4.4.2. Електричний резонанс

4.4.3. Робота і потужність змінного струму

4.4.1. КОЛО ЗМІННОГО СТРУМУ З ОПОРОМ, ІНДУКТИВНІСТЮ І ЄМНІСТЮ. РЕЗОНАНС

Розглянемо загальний випадок кола змінного струму з послідовно увімкненими резистором, котушкою індуктивності і конденсатором (рис. 4.8). Вважатимемо, що на цих складових кола зосереджені відповідно весь активний опір R, вся індуктивність L, і ємність С.

Рис. 4.8. Коло змінного струму з послідовно увімкненими резистором, котушкою індуктивності і конденсатором

Закон Ома для кола змінного струму виглядає так:

. (4.19)

Величина в знаменнику:

, (4.20)

відповідно до закону Ома для повного кола визначає повний опір кола.

Величини:

та (4.21)

відповідно називають індуктивним та ємнісними опорами.

Зсув фаз між силою струму і напругою визначають із формули:

. (4.22)

Розглянемо окремі випадки.

1. На ділянці, яка має тільки резистор,

,

сила струму за фазою збігається з напругою.

2. На ділянці, яка має лише індуктивність,

,

сила струму за фазою відстає на від напруги.

4. На ділянці, яка має лише ємність,

,

сила струму за фазою випереджає на напругу.

Дата добавления: 2015-10-26