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Elettronica generale ed elettrotecnica. Cheat sheet: in breve, il più importante

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Sommario

1. Storia dell'elettronica
2. Semiconduttori
3. Il moto degli elettroni in un campo elettrico uniforme
4. Il moto degli elettroni in un campo elettrico disomogeneo
5. Il moto degli elettroni in un campo magnetico uniforme
6. Elettroni nei solidi
7. Conducibilità elettronica intrinseca ed elettrica del foro
8. Impurità conducibilità elettrica
9. Diffusione di portatori di carica nei semiconduttori
10. Transizione elettrone-lacuna in assenza di tensione esterna
11. Transizione elettrone-lacuna sotto l'azione di una tensione diretta
12. Transizione elettrone-lacuna a tensione inversa
13. Caratteristica volt-ampere di un diodo a semiconduttore
14. capacità del diodo a semiconduttore
15. Applicazione di diodi a semiconduttore per la rettifica AC
16. Informazioni generali sui transistor
17. Processi fisici in un transistor
18. Circuiti di commutazione a transistor di base
19. Proprietà di frequenza dei transistor
20. Modalità a impulsi a transistor
21. Principali tipi di transistor
22. Informazioni generali sui dispositivi per elettrovuoto e principi della loro classificazione
23. Il dispositivo e il principio di funzionamento del diodo
24. Triodo e suoi circuiti
25. Cattodi semplici e complessi
26. Catodi di riscaldamento diretto e indiretto
27. Potenza di tre secondi per un diodo
28. Processi fisici in un triodo
29. Tensione di esercizio e legge della potenza di tre secondi per il triodo
30. Corrente di griglia in triodo
31. Prestazioni del triodo
32. Il dispositivo e il funzionamento del tetrodo
33. Effetto dinatron in un tetrodo
34. Il dispositivo e il funzionamento del pentodo
35. Parametri di tetrodi e pentodi
36. Il dispositivo e il funzionamento del tetrodo a fascio
37. Principio di conversione di frequenza
38. Lampade per la conversione di frequenza
39. Caratteristiche e parametri delle lampade a doppio comando
40. Tipi speciali di tubi ricetrasmettitori
41. Tipi di scariche elettriche nei gas
42. scarica a bagliore
43. diodi zener
44. Gasotron
45. Tiratroni a scarica d'arco
46. tubi a raggi catodici
47. Caratteristiche del funzionamento delle lampade a frequenze ultra alte
48. Impedenza di ingresso e perdita di energia nelle lampade
49. Klystron volante
50. Tubi viaggianti e ad onda inversa
51. Concetti generali di elettricità e teoria elettronica
52. La legge di Coulomb. Campo elettrico
53. Conduttore e dielettrico in un campo elettrico
54. I principali materiali isolanti elettrici
55. Il concetto di corrente elettrica. Legge di Ohm
56. Collegamento dei conduttori tra loro. La prima legge di Kirchhoff
57. La seconda legge di Kirchhoff. metodo di sovrapposizione
58. Elettrolisi. Prima e seconda legge di Faraday
59. Batterie
60. Lampade elettriche ad incandescenza
61. Saldatura elettrica
62. Elettromagnetismo
63. Induzione elettromagnetica
64. Ricezione AC
65. Circuiti CA
66. Circuito oscillatorio
67. AC trifase
68. trasformatori
69. Dispositivo e tipi di trasformatori
70. Motori asincroni
71. Generatori sincroni
72. Dispositivo generatore di corrente continua
73. Tipi di generatori CC
74. motori elettrici
75. Raddrizzatori
76. Strumenti di misura elettrici
77. Il dispositivo degli strumenti di misura
78. Trasformatori di strumenti
79. Reostati
80. Misura della potenza elettrica attiva
81. Misura dell'energia elettrica attiva
82. Guida elettrica
83. Coibentazioni, forme di esecuzione e raffreddamento di macchine elettriche
84. Protezione dei motori elettrici
85. Contattori e controllori
86. Modi per avviare i motori
87. Controllo della velocità dei motori elettrici
88. Batterie ricaricabili
89. Modalità batteria
90. Sicurezza nei dispositivi elettrici

Le basi per l'emergere e lo sviluppo dell'elettronica furono gettate dal lavoro dei fisici nel XVIII e XIX secolo. I primi studi al mondo sulle scariche elettriche nell'aria risalgono al XVIII secolo. in Russia da accademici Lomonosov и Richmann e indipendentemente da loro, scienziati americani Franklin. Un evento importante fu la scoperta dell'arco elettrico da parte dell'accademico Petrov nel 1802. Gli studi sui processi di passaggio della corrente elettrica nei gas rarefatti furono condotti nel secolo scorso in Inghilterra Crooks, Thomson, Townsend, Aston, in germania Geisler, Gittorf, Plücker e altri Nel 1873 Lodygin ha inventato il primo dispositivo di aspirazione elettrico al mondo: una lampada a incandescenza. Indipendentemente da lui, poco dopo, la stessa lampada fu creata e migliorata da un inventore americano Edison. L'arco elettrico è stato inizialmente utilizzato per scopi di illuminazione Yablochkov nel 1876. Nel 1887, un fisico tedesco Hertz scoperto l'effetto fotoelettrico.

L'emissione termoionica fu scoperta nel 1884 da Edison. Nel 1901, Richardson condusse uno studio dettagliato dell'emissione termoionica. Il primo tubo a raggi catodici a catodo freddo fu costruito nel 1897. Marrone (Germania). L'uso di dispositivi elettronici nell'ingegneria radiofonica iniziò con il fatto che nel 1904 lo scienziato inglese Fleming utilizzava una lampada a due elettrodi con un catodo incandescente per rettificare le oscillazioni ad alta frequenza in un ricevitore radio. Nel 1907 un ingegnere americano Lee de Forest ha introdotto una griglia nella spia di controllo, ovvero ha creato il primo triodo. Nello stesso anno, professore all'Istituto di tecnologia di San Pietroburgo Rosing propose di utilizzare un tubo a raggi catodici per la ricezione di immagini televisive e negli anni successivi diede prova sperimentale delle sue idee. Nel 1909-191 in Russia Kovalenkov ha creato i primi triodi per amplificare le comunicazioni telefoniche a lunga distanza. L'invenzione del catodo riscaldato era di grande importanza. Chernyshev nel 1921. Nel 1926 Hell negli USA migliorò le lampade con una griglia di schermatura e nel 1930 propose un pentodo, che divenne una delle lampade più comuni. Nel 1930 Kubecki ha inventato i fotomoltiplicatori, nella progettazione di cui Vekshinskiy e Timofeev hanno dato un contributo significativo. La prima proposta per speciali tubi di trasmissione televisiva fu fatta indipendentemente nel 1930-1931. Costantinov e Kataev. Tubi simili, chiamati iconoscopi, sono stati costruiti negli Stati Uniti Zworykin.

L'invenzione di tali tubi ha aperto nuove opportunità per lo sviluppo della televisione. Un po' più tardi, nel 1933. Shmakov и Timofeev ha proposto nuovi tubi trasmittenti più sensibili (supericonoscopi o superemettitori), che hanno permesso di condurre trasmissioni televisive senza una forte illuminazione artificiale. radiofisico russo Rozhanovsky nel 1932 propone di creare nuovi dispositivi con modulazione di velocità del flusso di elettroni. Secondo le sue idee, Arsen'eva e Heil nel 1939 costruirono i primi dispositivi di questo tipo per amplificare e generare oscillazioni a microonde, chiamati klystron transitori. Nel 1940 Kovalenko ha inventato un klystron riflettente più semplice, ampiamente utilizzato per generare oscillazioni a microonde.

Di grande importanza per la tecnica delle onde decimali sono state le opere Devyatkova, Daniltseva, Khokhlova и Gurevič, che nel 1938-1941. progettato triodi speciali con elettrodi a disco piatto. Secondo questo principio, le lampade in cermet sono state prodotte in Germania e le lampade lampeggianti negli Stati Uniti.

2. DISPOSITIVI A SEMICONDUTTORE

Rispetto ai tubi a vuoto, i dispositivi a semiconduttore sono significativi vantaggi:

1) peso leggero e dimensioni ridotte;

2) nessun consumo di energia per il riscaldamento;

3) maggiore affidabilità di funzionamento e lunga durata (fino a decine di migliaia di ore);

4) elevata resistenza meccanica (resistenza a scuotimenti, urti e altri tipi di sovraccarico meccanico);

5) vari dispositivi (raddrizzatori, amplificatori, generatori) con dispositivi a semiconduttore hanno un'elevata efficienza, poiché le perdite di energia nei dispositivi stessi sono insignificanti;

6) i dispositivi a bassa potenza con transistor possono funzionare a bassissime tensioni di alimentazione;

7) i principi di progettazione e funzionamento dei dispositivi a semiconduttore vengono utilizzati per creare una nuova importante direzione nello sviluppo dell'elettronica: la microelettronica dei semiconduttori.

Allo stesso tempo, i dispositivi a semiconduttore hanno attualmente quanto segue svantaggi:

1) i parametri e le caratteristiche delle singole istanze di dispositivi di questo tipo hanno una diffusione significativa;

2) le proprietà e i parametri dei dispositivi dipendono fortemente dalla temperatura;

3) c'è un cambiamento nelle proprietà dei dispositivi nel tempo (invecchiamento);

4) il loro stesso rumore in alcuni casi è maggiore di quello dei dispositivi elettronici;

5) la maggior parte dei tipi di transistor non sono adatti al funzionamento a frequenze superiori alle decine di megahertz;

6) la resistenza di ingresso della maggior parte dei transistor è molto inferiore a quella delle valvole a vuoto;

7) i transistor non sono ancora prodotti per potenze così elevate come i dispositivi a elettrovuoto;

8) il funzionamento della maggior parte dei dispositivi a semiconduttore si deteriora bruscamente sotto l'influenza delle radiazioni radioattive.

I transistor sono utilizzati con successo in amplificatori, ricevitori, trasmettitori, generatori, televisori, strumenti di misura, circuiti a impulsi, calcolatrici elettroniche, ecc. L'uso di dispositivi a semiconduttore consente enormi risparmi nel consumo di energia elettrica da fonti di alimentazione e consente di ridurre molte volte le dimensioni dell'attrezzatura.

Sono in corso ricerche per migliorare i dispositivi a semiconduttore utilizzando nuovi materiali per essi. Sono stati realizzati raddrizzatori a semiconduttore per correnti di migliaia di ampere. L'uso del silicio al posto del germanio consente di far funzionare dispositivi a temperature fino a 125 "C e superiori. Sono stati creati transistor per frequenze fino a centinaia di megahertz e oltre, nonché nuovi tipi di dispositivi a semiconduttore per frequenze a microonde. la sostituzione di tubi elettronici con dispositivi a semiconduttore è stata effettuata con successo in molti dispositivi di ingegneria radio.L'industria produce un gran numero di diodi semiconduttori e transistor di vario tipo.

3. MOTO DEGLI ELETTRONI IN UN CAMPO ELETTRICO OMOGENEO

L'interazione degli elettroni con un campo elettrico è il processo principale nei dispositivi a elettrovuoto e semiconduttori.

Un elettrone è una particella di materia con carica elettrica negativa, il cui valore assoluto è e = 1,610-19C. La massa di un elettrone immobile è pari a m = 9,110-28 g. All'aumentare della velocità di movimento, la massa degli elettroni aumenta. teoricamente, ad una velocità pari a c = 3·108 m/s, la massa di un elettrone dovrebbe diventare infinitamente grande. Nei dispositivi elettrovuoto convenzionali, la velocità degli elettroni non supera 0,1 s. In questa condizione la massa dell'elettrone può essere considerata costante, pari a m.

Se la differenza di potenziale tra gli elettrodi è U e la distanza tra loro è d, l'intensità del campo è: E \uXNUMXd U / d. Per un campo elettrico uniforme, il valore di E è costante.

Lascia che un elettrone con energia cinetica W0 e velocità iniziale v0 diretto lungo le linee di forza del campo sia emesso da un elettrodo avente un potenziale inferiore, ad esempio da un catodo. Il campo agisce su un elettrone e ne accelera il movimento verso un elettrodo con un potenziale maggiore, ad esempio verso l'anodo. Cioè, l'elettrone è attratto dall'elettrodo con un potenziale più alto. In questo caso, il campo viene chiamato accelerando.

In un campo in accelerazione, si verifica un aumento dell'energia cinetica di un elettrone a causa del lavoro del campo nel muovere l'elettrone. Secondo la legge di conservazione dell'energia, un aumento dell'energia cinetica di un elettrone W-W0 è uguale al lavoro del campo, che è determinato dal prodotto della carica trasferita e e dalla differenza di potenziale U da esso trasmessa :WW! = mv2/2 - mv20/2 = UE. Se la velocità iniziale dell'elettrone è uguale a zero, allora W0 = mv20/2 = 0 e W=mv2/2 = eU, cioè l'energia cinetica dell'elettrone è uguale al lavoro del campo. La velocità di un elettrone in un campo accelerato dipende dalla differenza di potenziale attraversato.

Supponiamo che la direzione della velocità iniziale dell'elettrone v0 sia opposta alla forza F che agisce sull'elettrone dal lato del campo, cioè l'elettrone vola via con una certa velocità iniziale dall'elettrodo con un potenziale più alto. Poiché la forza F è diretta verso la velocità v0, l'elettrone decelera e si muove in linea retta, uniformemente lenta. Il campo in questo caso si chiama ritardo. Pertanto, questo campo per alcuni elettroni accelera e per altri decelera, a seconda della direzione della velocità iniziale dell'elettrone. In un campo in decelerazione, un elettrone cede energia al campo. Nella direzione opposta, l'elettrone si muove senza velocità iniziale nel campo di accelerazione, che restituisce all'elettrone l'energia persa durante il movimento lento.

Se un elettrone vola con una velocità iniziale v0 ad angolo retto rispetto alla direzione delle linee di campo, allora il campo agisce sull'elettrone con una forza F determinata dalla formula f = eE e diretta verso un potenziale superiore. In assenza di forza, il potenziale R farebbe un moto uniforme per inerzia con velocità v0. E sotto l'azione della forza F, l'elettrone deve muoversi con accelerazione uniforme nella direzione perpendicolare a v0. Il movimento risultante dell'elettrone avviene lungo una parabola e l'elettrone viene deviato verso l'elettrodo positivo. Se l'elettrone non cade su questo elettrodo e va oltre il campo, continuerà a muoversi per inerzia in linea retta e uniforme. Un elettrone si muove lungo una certa parabola e colpisce uno degli elettrodi o esce dal campo.

Un campo elettrico cambia sempre l'energia cinetica e la velocità di un elettrone in una direzione o nell'altra. Quindi, c'è sempre un'interazione energetica tra un elettrone e un campo elettrico, cioè uno scambio di energia. Se la velocità iniziale dell'elettrone non è diretta lungo le linee di forza, ma ad un certo angolo rispetto ad esse, anche il campo elettrico piega la traiettoria dell'elettrone.

4. MOTO DEGLI ELETTRONI IN CAMPO ELETTRICO NON OMOGENEO

per campi elettrici disomogenei caratterizzato da una struttura varia e spesso complessa. Ci sono molti campi disomogenei che non sono simili tra loro, in cui l'intensità varia da punto a punto secondo varie leggi, e le linee di forza sono solitamente curve di una forma o dell'altra. Il più semplice è il campo disomogeneo radicale, che si incontra spesso nei dispositivi per elettrovuoto, e si forma tra elettrodi cilindrici. Se la velocità iniziale di un elettrone emesso dalla superficie dell'elettrodo interno è diretta lungo le linee di forza, l'elettrone si muoverà in linea retta e accelererà lungo il raggio. Ma quando ti allontani dall'elettrodo interno, l'intensità del campo e la forza che agisce sull'elettrone diventano più piccole, il che significa che anche l'accelerazione diminuisce.

In un caso più generale, un campo disomogeneo ha linee di forza sotto forma di linee curve. Se questo campo sta accelerando, l'elettrone con la velocità iniziale v0 si muove lungo una traiettoria curvilinea che ha la stessa curvatura delle linee di forza. La forza F agisce sull'elettrone dal lato del campo, diretta ad un angolo rispetto al vettore di velocità dell'elettrone. Questa forza piega la traiettoria dell'elettrone e ne aumenta la velocità. In questo caso, la traiettoria dell'elettrone non coincide con la linea di campo. Se l'elettrone non avesse massa, e quindi inerzia, allora si muoverebbe lungo la linea di forza. Tuttavia, l'elettrone ha massa e tende a muoversi per inerzia in linea retta con la velocità acquisita durante il movimento precedente. La forza che agisce sull'elettrone è diretta tangenzialmente alla linea di campo e, nel caso di linee di campo curve, forma un angolo con il vettore velocità dell'elettrone. Pertanto, la traiettoria dell'elettrone è curva, ma "ritarda" in questa curvatura dalla linea di forza a causa dell'inerzia dell'elettrone.

Nel caso di un campo disomogeneo in decelerazione con linee di campo curve, la forza che agisce sull'elettrone dal campo piega anche la traiettoria dell'elettrone e ne cambia la velocità. Ma la curvatura della traiettoria si ottiene nella direzione opposta a quella in cui si piegano le linee di forza, cioè la traiettoria dell'elettrone tende ad allontanarsi dalla linea di forza. In questo caso, la velocità dell'elettrone diminuisce, poiché passa a punti con potenziale più negativo.

Consideriamo il moto di un flusso di elettroni in un campo disomogeneo, trascurando, per semplicità, l'interazione degli elettroni. Lasciamo che il flusso di elettroni si muova in un campo accelerato disomogeneo, che è simmetrico rispetto alla retta media della forza. In questo caso, le linee di forza convergono nella direzione del moto dell'elettrone, cioè l'intensità del campo aumenta. Chiamiamo tale campo convergente.

Lascia che un flusso di elettroni voli in questo campo, le cui velocità sono dirette in parallelo. Le traiettorie degli elettroni sono piegate nella stessa direzione in cui le linee di forza sono piegate. E solo l'elettrone medio si muove rettilineo lungo la linea media di forza. Di conseguenza, gli elettroni si avvicinano l'uno all'altro, ovvero si ottiene la focalizzazione del flusso di elettroni, simile alla focalizzazione del flusso luminoso con l'aiuto di una lente convergente. Inoltre, la velocità degli elettroni aumenta.

Se le linee di forza divergono nella direzione del moto dell'elettrone, allora il campo può essere convenzionalmente chiamato divergente. In esso, il flusso di elettroni è disperso, poiché le traiettorie degli elettroni si allontanano l'una dall'altra durante la curvatura. Pertanto, il campo divergente in accelerazione è una lente divergente per il fascio di elettroni.

Se il campo sta decelerando e convergendo, allora non c'è messa a fuoco, ma dispersione di elettroni con una diminuzione della loro velocità. E viceversa, in un campo divergente in decelerazione, si ottiene la focalizzazione del fascio di elettroni.

5. MOTO DEGLI ELETTRONI IN UN CAMPO MAGNETICO UNIFORME

Alcuni dispositivi di elettrovuoto utilizzano il movimento degli elettroni in un campo magnetico.

Consideriamo il caso in cui un elettrone vola in un campo magnetico uniforme con una velocità iniziale v0 diretta perpendicolarmente alle linee del campo magnetico. In questo caso l'elettrone in movimento è influenzato dalla cosiddetta forza di Lorentz F, che è perpendicolare al vettore h0 e al vettore del campo magnetico H. L'entità della forza F è determinata dall'espressione: F = ev0H.

Per v0 = 0, la forza P è uguale a zero, cioè il campo magnetico non agisce su un elettrone stazionario.

La forza F piega la traiettoria dell'elettrone in un arco di cerchio. Poiché la forza F agisce perpendicolarmente alla velocità h0, non funziona. L'energia di un elettrone e la sua velocità non cambiano di grandezza. C'è solo un cambiamento nella direzione della velocità. È noto che il moto di un corpo in circolo (rotazione) a velocità costante si ottiene per azione di una forza centripeta diretta verso il centro, che è appunto la forza F.

La direzione di rotazione di un elettrone in un campo magnetico secondo la regola della mano sinistra è convenientemente determinata dalle seguenti regole. Guardando nella direzione delle linee del campo magnetico, l'elettrone si muove in senso orario. In altre parole, la rotazione dell'elettrone coincide con il movimento rotatorio della vite, che viene avvitata nella direzione delle linee del campo magnetico.

Determiniamo il raggio r del cerchio descritto dall'elettrone. Per fare ciò, utilizziamo l'espressione per la forza centripeta nota dalla meccanica: F = mv20/r. Eguagliamolo al valore della forza F = ev0H: mv20/r = ev0H. Ora da questa equazione puoi trovare il raggio: r= mv0/(eH).

Maggiore è la velocità dell'elettrone v0, più forte tende a muoversi rettilineo per inerzia e il raggio di curvatura della traiettoria sarà maggiore. D'altra parte, all'aumentare di H, la forza F aumenta, la curvatura della traiettoria aumenta e il raggio della circonferenza diminuisce.

La formula derivata è valida per il movimento di particelle con qualsiasi massa e carica in un campo magnetico.

Si consideri la dipendenza di r da m ed e. Una particella carica con una massa maggiore m tende a volare più rettilineo per inerzia e la curvatura della traiettoria diminuirà, cioè diventerà più grande. E maggiore è la carica e, maggiore è la forza F e più la traiettoria è curva, cioè il suo raggio diventa più piccolo.

Essendo andato oltre il campo magnetico, l'elettrone vola ulteriormente per inerzia in linea retta. Se il raggio della traiettoria è piccolo, l'elettrone può descrivere cerchi chiusi in un campo magnetico.

Pertanto, il campo magnetico cambia solo la direzione della velocità dell'elettrone, ma non la sua intensità, cioè non c'è interazione energetica tra l'elettrone e il campo magnetico. Rispetto a un campo elettrico, l'effetto di un campo magnetico sugli elettroni è più limitato. Ecco perché un campo magnetico viene utilizzato per influenzare gli elettroni molto meno frequentemente di un campo elettrico.

6. ELETTRONI NEGLI STATI SOLIDI

La fisica moderna ha dimostrato che gli elettroni in un corpo non possono avere energie arbitrarie. L'energia di ogni elettrone può assumere solo determinati valori, detti livelli di energia (o livelli di energia).

Gli elettroni situati più vicino al nucleo di un atomo hanno energie più basse, cioè a livelli di energia più bassi. Per rimuovere un elettrone dal nucleo, è necessario superare l'attrazione reciproca tra l'elettrone e il nucleo. Ciò richiede un po' di energia. Pertanto, gli elettroni lontani dal nucleo hanno energie elevate; sono a livelli di energia più elevati.

Quando un elettrone si sposta da un livello di energia superiore a uno inferiore, viene rilasciata una certa quantità di energia, chiamata quanto (o fotone). Se un atomo assorbe un quanto di energia, l'elettrone si sposta da un livello di energia inferiore a uno superiore. Pertanto, l'energia degli elettroni cambia solo in quanti, cioè in determinate porzioni.

La distribuzione degli elettroni per livelli di energia è mostrata schematicamente: l'energia W dell'elettrone è tracciata verticalmente e i livelli di energia sono mostrati da linee orizzontali.

Secondo la cosiddetta teoria delle zone a stato solido, i livelli di energia sono combinati in zone separate. Gli elettroni del guscio esterno di un atomo riempiono una serie di livelli di energia che costituiscono la banda di valenza. I livelli di energia più bassi fanno parte di altre bande piene di elettroni, ma queste bande non giocano un ruolo nei fenomeni di conducibilità elettrica e quindi non sono mostrate in figura. Nei metalli e nei semiconduttori è presente un gran numero di elettroni I livelli energetici più elevati. Questi livelli costituiscono la banda di conduzione. Gli elettroni di questa zona, chiamati elettroni di conduzione, si muovono casualmente all'interno del corpo, spostandosi da un atomo all'altro. Sono gli elettroni di conduzione che forniscono l'elevata conduttività elettrica dei metalli.

Gli atomi di una sostanza che ha donato elettroni alla banda di conduzione possono essere considerati ioni positivi. Sono disposti in un certo ordine, formando un reticolo spaziale, altrimenti chiamato ionico o cristallino. Lo stato di questo reticolo corrisponde all'equilibrio delle forze di interazione tra gli atomi e al valore minimo dell'energia totale di tutte le particelle del corpo. Il movimento casuale degli elettroni di conduzione avviene all'interno del reticolo spaziale.

Una diversa struttura energetica è caratteristica dei dielettrici. Hanno un gap di banda tra la banda di conduzione e la banda di valenza, corrispondente a livelli di energia a cui gli elettroni non possono essere.

A temperatura normale, i dielettrici hanno solo un numero molto piccolo di elettroni nella banda di conduzione, e quindi il dielettrico ha una conduttività trascurabile. Ma quando riscaldati, alcuni elettroni della banda di valenza, ricevendo energia aggiuntiva, passano nella banda di conduzione e quindi il dielettrico acquisisce una notevole conduttività elettrica.

I semiconduttori a basse temperature sono isolanti ea temperatura normale un numero significativo di elettroni passa dalla banda di valenza alla banda di conduzione.

Attualmente, per la fabbricazione di dispositivi a semiconduttore, sono i più utilizzati il ​​germanio e il silicio, che hanno una valenza di 4. Il reticolo cristallino spaziale del germanio o del silicio è costituito da atomi legati tra loro da elettroni di valenza. Tale legame è chiamato covalente o coppia di elettroni.

7. CONDUTTIVITÀ ELETTRICA PROPRIA DI ELETTRONI E FORI

I semiconduttori sono sostanze che, in termini di conducibilità elettrica, occupano una posizione intermedia tra conduttori e dielettrici.

per semiconduttori caratterizzato da un coefficiente di temperatura negativo della resistenza elettrica. All'aumentare della temperatura, la resistenza dei semiconduttori diminuisce anziché aumentare come con la maggior parte dei conduttori solidi. Inoltre, la resistenza elettrica dei semiconduttori dipende molto dalla quantità di impurità, nonché da influenze esterne come luce, campo elettrico, radiazioni ionizzanti, ecc.

Esistono due tipi di conducibilità elettrica nei semiconduttori. Come i metalli, i semiconduttori hanno conduttività elettrica elettronica, che è dovuta al movimento degli elettroni di conduzione. Alle normali temperature di esercizio, i semiconduttori contengono sempre elettroni di conduzione, che sono molto debolmente legati ai nuclei degli atomi ed eseguono un movimento termico casuale tra gli atomi del reticolo cristallino. Questi elettroni, sotto l'azione di una differenza di potenziale, possono ricevere un movimento aggiuntivo in una certa direzione, che è una corrente elettrica.

I semiconduttori hanno anche una conduttività elettrica del foro, che non si osserva nei metalli. Nei semiconduttori, il reticolo cristallino è piuttosto forte. I suoi ioni, cioè atomi privati ​​di un elettrone, non si muovono, ma rimangono al loro posto.

L'assenza di un elettrone in un atomo è convenzionalmente chiamata buco. Ciò sottolinea che nell'atomo manca un elettrone, cioè si è formato uno spazio libero. I buchi si comportano come cariche positive elementari.

Nella conduttività elettrica delle lacune anche gli elettroni si muovono, ma in misura più limitata rispetto alla conduttività elettrica elettronica. Gli elettroni passano da questi atomi solo a quelli vicini. Il risultato di ciò è il movimento delle cariche positive - le lacune - nella direzione opposta al movimento degli elettroni.

Si chiamano elettroni e lacune che possono muoversi e quindi creare conduttività elettrica vettori di ricarica mobile o semplicemente vettori di carica. È consuetudine dire che sotto l'influenza del calore si generano coppie di portatori di carica, cioè si formano coppie: un elettrone di conduzione - un foro di conduzione.

A causa del fatto che gli elettroni di conduzione e le lacune eseguono un movimento termico caotico, si verifica necessariamente il processo inverso della generazione di coppie di portanti. Gli elettroni di conduzione occupano nuovamente posti liberi nella banda di valenza, cioè si combinano con le lacune. Si chiama questa scomparsa di coppie di portatori ricombinazione di portatori di carica. I processi di generazione e ricombinazione di coppie di portatori avvengono sempre simultaneamente.

Un semiconduttore senza impurità è chiamato semiconduttore intrinseco. Ha una propria conduttività elettrica, che consiste in conducibilità elettrica elettronica e del foro. In questo caso, nonostante il numero di elettroni e di lacune di conduzione nel semiconduttore intrinseco sia lo stesso, prevale la conduttività elettrica elettronica, che si spiega con la maggiore mobilità degli elettroni rispetto alla mobilità delle lacune.

8. IMPURITÀ CONDUCIBILITÀ ELETTRICA

Se il semiconduttore contiene impurità di altre sostanze, oltre alla conduttività elettrica intrinseca, compare anche una conducibilità elettrica delle impurità che, a seconda del tipo di impurità, può essere elettronica o lacustre. Ad esempio, il germanio, essendo tetravalente, ha conduttività elettronica delle impurità se ad esso vengono aggiunti antimonio pentavalente e arsenico. I loro atomi interagiscono con gli atomi di germanio con solo quattro dei loro elettroni e il quinto elettrone è dato alla banda di conduzione. Di conseguenza, si ottiene una certa quantità di elettroni di conduzione aggiuntivi. Vengono chiamate impurità in cui gli atomi donano elettroni donatori. Gli atomi donatori perdono elettroni e si caricano positivamente.

I semiconduttori con una predominanza di conducibilità elettrica elettronica sono chiamati semiconduttori elettronici o semiconduttori di tipo n.

Vengono chiamate sostanze che prendono elettroni e creano conduttività elettrica nel buco delle impurità accettori. Gli atomi accettori, che catturano gli elettroni, si caricano negativamente.

I semiconduttori con una predominanza della conduttività elettrica del foro sono chiamati semiconduttori del foro o semiconduttori di tipo p.

I dispositivi a semiconduttore utilizzano principalmente semiconduttori contenenti impurità di donatori o accettori e sono chiamati impurità. Alle normali temperature di esercizio in tali semiconduttori, tutti gli atomi di impurità partecipano alla creazione di conducibilità elettrica di impurità, cioè ogni atomo di impurità dona o cattura un elettrone.

Affinché la conducibilità elettrica dell'impurità prevalga su quella intrinseca, la concentrazione di atomi di impurità del donatore o dell'accettore deve superare la concentrazione dei portatori di carica intrinseci.

I portatori di carica, la cui concentrazione prevale in un dato semiconduttore, sono detti di base. Sono elettroni in un semiconduttore di tipo n e lacune in un semiconduttore di tipo p. Si chiamano portatori di carica di minoranza, la cui concentrazione è inferiore alla concentrazione dei portatori di maggioranza. La concentrazione di portatori di minoranza in un semiconduttore di impurità diminuisce tante volte quanto aumenta la concentrazione di portatori di maggioranza.

Se c'era un certo numero di elettroni nel germanio e, dopo l'aggiunta di un'impurità donatrice, la concentrazione di elettroni aumenta di un fattore 1000, la concentrazione di portatori minoritari (buchi) diminuirà di un fattore 1000, cioè sarà un milione di volte inferiore alla concentrazione dei principali vettori. Ciò è spiegato dal fatto che con un aumento di 1000 volte della concentrazione di elettroni di conduzione ottenuti dagli atomi donatori, i livelli energetici inferiori della banda di conduzione risultano occupati e il passaggio degli elettroni dalla banda di valenza è possibile solo per livelli più alti della banda di conduzione. Ma per una tale transizione, gli elettroni devono avere un'energia elevata, e quindi un numero molto inferiore di elettroni può eseguirla. Di conseguenza, il numero di fori di conduzione nella banda di valenza diminuisce significativamente.

Pertanto, una quantità trascurabilmente piccola di impurità cambia significativamente la natura della conduttività elettrica e l'entità della conduttività del semiconduttore. Ottenere semiconduttori con un contenuto così basso e rigorosamente dosato dell'impurità desiderata è un processo molto complesso. In questo caso, il semiconduttore iniziale a cui si aggiunge l'impurità deve essere molto puro.

9. DIFFUSIONE DEI VETTORI DI CARICA NEI SEMICONDUTTORI

Nei semiconduttori, oltre alla corrente di conduzione, può esserci anche una corrente di diffusione, la cui causa non è la differenza di potenziale, ma la differenza nelle concentrazioni dei portatori. Scopriamo l'essenza di questa corrente.

Se la concentrazione dei portatori di carica è distribuita uniformemente sul semiconduttore, allora è equilibrio. Sotto l'influenza di eventuali influenze esterne in diverse parti del semiconduttore, la concentrazione può diventare disuguale, cioè disequilibrio. Ad esempio, se una parte di un semiconduttore è esposta a radiazioni, il processo di generazione di coppie di portanti si intensificherà in esso e apparirà un'ulteriore concentrazione di portanti, chiamata ridondante.

Poiché i vettori hanno una propria energia cinetica, tendono sempre a spostarsi da luoghi con una concentrazione maggiore a luoghi con una concentrazione inferiore, ad es. e. tendono ad equalizzare la concentrazione.

Il fenomeno della diffusione si osserva per molte particelle di materia, e non solo per i portatori di carica mobili. La diffusione è sempre causata dalla concentrazione irregolare delle particelle e la diffusione stessa è effettuata dall'energia propria del movimento termico delle particelle.

Il movimento diffuso dei portatori di carica mobili (elettroni e buchi) è una corrente diffusa /. Questa corrente, come la corrente di conduzione, può essere un elettrone o una lacuna. Le densità di queste correnti sono determinate dalle seguenti formule: i = eDn ?n /?x e ip=- eDp?p /?x, dove le quantità ?n/?x e ?c/?x sono le cosiddette gradienti di concentrazione e Dn e Dp sono coefficienti di diffusione. Il gradiente di concentrazione caratterizza quanto bruscamente la concentrazione cambia lungo la distanza x, cioè qual è la variazione di concentrazione n o p per unità di lunghezza. Se non c'è differenza di concentrazione, allora ?n=0 o ?p =0 e non si verifica corrente di diffusione. E maggiore è la variazione di concentrazione ?n o ?p ad una data distanza ?x, maggiore è la corrente di diffusione.

Il coefficiente di diffusione caratterizza l'intensità del processo di diffusione. È proporzionale alla mobilità dei vettori, diversa per le diverse sostanze, e dipende dalla temperatura. Il coefficiente di diffusione per gli elettroni è sempre maggiore che per le lacune.

Il segno meno sul lato destro della formula per la densità della corrente di diffusione del foro è impostato perché la corrente del foro è diretta nella direzione di diminuzione della concentrazione del foro.

Se, a causa di un'influenza esterna, si crea un'eccessiva concentrazione di portanti in una parte del semiconduttore e quindi l'influenza esterna si interrompe, i portatori in eccesso si ricombinano e si propagano per diffusione ad altre parti del semiconduttore.

Il valore che caratterizza il processo di diminuzione della concentrazione in eccesso nel tempo è chiamato durata dei portatori di non equilibrio.

La ricombinazione dei portatori di non equilibrio avviene nella massa del semiconduttore e sulla sua superficie e dipende fortemente dalle impurità, oltre che dallo stato della superficie.

Durante la propagazione diffusa di portatori di non equilibrio, come gli elettroni, lungo un semiconduttore, anche la loro concentrazione diminuisce con la distanza a causa della ricombinazione.

10. GIUNTO ELETTROFORATO IN ASSENZA DI TENSIONE ESTERNA

Viene chiamata la regione al confine di due semiconduttori con diversi tipi di conducibilità elettrica elettrone, o pp-transizione.

La transizione elettrone-lacuna ha la proprietà di conducibilità asimmetrica, cioè ha una resistenza non lineare. Il funzionamento della maggior parte dei dispositivi a semiconduttore utilizzati nell'elettronica radio si basa sull'uso delle proprietà di una o più giunzioni pn. Consideriamo i processi fisici in una tale transizione.

Lascia che non ci sia tensione esterna attraverso la giunzione. Poiché i portatori di carica in ciascun semiconduttore eseguono un movimento termico casuale, cioè hanno le proprie velocità, si verifica la loro diffusione (penetrazione) da un semiconduttore all'altro. I vettori si spostano da dove la loro concentrazione è alta a dove la concentrazione è bassa. Pertanto, gli elettroni si diffondono da un semiconduttore di tipo n in un semiconduttore di tipo p e le lacune si diffondono da un semiconduttore di tipo p in un semiconduttore di tipo n nella direzione opposta.

Come risultato della diffusione del vettore, si creano cariche spaziali di segno diverso su entrambi i lati dell'interfaccia tra due semiconduttori con diversi tipi di conducibilità elettrica. Nella regione n sorge una carica spaziale positiva. È formato principalmente da atomi di impurità donatori caricati positivamente e, in piccola misura, da buchi che sono entrati in questa regione. Allo stesso modo, nella regione p sorge una carica spaziale negativa, formata dagli atomi caricati negativamente dell'impurità accettore e in parte dagli elettroni che sono arrivati ​​qui.

Tra le cariche spaziali formate sorgono una cosiddetta differenza di potenziale di contatto e un campo elettrico.

Una potenziale barriera sorge nella giunzione p-n, che impedisce la transizione di diffusione dei portatori.

Maggiore è la concentrazione di impurità, maggiore è la concentrazione dei vettori principali e maggiore è la loro quantità di diffusione attraverso il confine. La densità delle cariche spaziali aumenta e la differenza di potenziale di contatto aumenta, cioè l'altezza della barriera di potenziale. In questo caso, lo spessore della giunzione pn diminuisce.

Contemporaneamente al movimento diffuso delle portanti maggioritarie attraverso il confine, il movimento inverso delle portanti avviene sotto l'azione del campo elettrico della differenza di potenziale di contatto. Questo campo sposta le lacune dalla regione p alla regione p e gli elettroni dalla regione p alla regione p. Ad una certa temperatura, la giunzione pn si trova in uno stato di equilibrio dinamico. Ogni secondo, un certo numero di elettroni e lacune si diffonde attraverso il confine in direzioni opposte e, sotto l'azione del campo, lo stesso numero di essi si sposta nella direzione opposta.

Il movimento dei portatori dovuto alla diffusione è una corrente di diffusione e il movimento dei portatori sotto l'azione di un campo è una corrente di conduzione. All'equilibrio dinamico della transizione, queste correnti sono uguali e opposte in direzione. Pertanto, la corrente totale attraverso la giunzione è zero, il che dovrebbe essere il caso in assenza di una tensione esterna. Ciascuna delle correnti ha una componente elettronica e una lacuna. I valori di questi componenti sono diversi, poiché dipendono dalla concentrazione e dalla mobilità dei vettori. L'altezza della barriera di potenziale viene sempre impostata automaticamente esattamente a quella in cui si verifica l'equilibrio, cioè la corrente di diffusione e la corrente di conduzione si compensano reciprocamente.

11. TRANSIZIONE ELETTRO-FORO SOTTO L'AZIONE DI UNA TENSIONE IN AVANTI

Lascia che la sorgente di tensione esterna sia collegata con un polo positivo a un semiconduttore di tipo p e con un polo negativo a un semiconduttore di tipo n.

Il campo elettrico creato nella giunzione pn dalla tensione continua agisce verso il campo della differenza di potenziale di contatto. Il campo risultante diventa più debole e la differenza di potenziale nella giunzione diminuisce, cioè l'altezza della barriera di potenziale diminuisce e la corrente di diffusione aumenta. Dopotutto, una barriera più bassa può superare un numero maggiore di vettori. La corrente di conduzione cambia poco, poiché dipende principalmente solo dal numero di portatori minoritari che, a causa delle loro velocità termiche, entrano nella regione di giunzione p-n dai volumi delle regioni n e p.

In assenza di tensione esterna, la corrente diffusa e la corrente di conduzione sono uguali e si compensano a vicenda. Con una tensione diretta, idif> iprov, e quindi la corrente totale attraverso la giunzione, cioè la corrente diretta, non è più uguale a zero: ipr \u0d idif - iprov> XNUMX.

Se la barriera è significativamente abbassata, allora idiff "iprov e possiamo supporre che ipr ~ idif, cioè la corrente diretta nella giunzione sia diffusione.

Viene chiamato il fenomeno dell'introduzione di portatori di carica attraverso una barriera potenziale abbassata in una regione in cui questi portatori sono minori iniezione di portatori di carica. La regione di un dispositivo a semiconduttore da cui vengono iniettati i portatori è chiamata regione di emettitore o emettitore. E la regione in cui vengono iniettati i portatori di carica minori per questa regione è chiamata regione di base, o base. Pertanto, se consideriamo l'iniezione di elettroni, la regione p è l'emettitore e la regione p è la base. Per l'iniezione tramite foro, al contrario, la regione p funge da emettitore e la regione p funge da base.

Nei dispositivi a semiconduttore, la concentrazione delle impurità, e quindi dei portatori maggioritari, nelle regioni n e p è generalmente molto diversa. Pertanto, domina fortemente l'iniezione dalla regione con una maggiore concentrazione dei principali vettori. Di conseguenza, questa iniezione predominante dà il nome di emettitore e base. Ad esempio, se pp "pp, l'iniezione di elettroni dalla regione p alla regione p è molto maggiore dell'iniezione di lacune nella direzione opposta. In questo caso, la regione p è considerata l'emettitore e la regione p è considerata la base, poiché l'iniezione di fori può essere trascurata.

Con una tensione diretta, non solo la barriera potenziale diminuisce, ma diminuisce anche lo spessore dello strato barriera. Ciò porta ad una diminuzione della resistenza dello strato barriera. La sua resistenza in avanti è piccola.

Poiché l'altezza della barriera in assenza di tensione esterna è di diversi decimi di volt, per abbassare notevolmente la barriera e ridurre sensibilmente la resistenza dello strato di blocco è sufficiente applicare una tensione diretta alla giunzione p-n di soli decimi di un volt. Pertanto, una corrente diretta significativa può essere ottenuta con una tensione diretta molto piccola.

Ovviamente, ad una certa tensione diretta, è possibile distruggere completamente la barriera di potenziale nella giunzione pn. Quindi la resistenza della transizione, cioè lo strato barriera, si avvicinerà allo zero e potrà essere trascurata. La corrente diretta in questo caso aumenterà e dipenderà dalla resistenza dei volumi delle regioni pi p. Ora queste resistenze non possono essere trascurate, poiché sono loro che rimangono nel circuito e determinano l'entità della corrente.

12. GIUNZIONE ELETTRO-FORO A TENSIONE INVERSA

Lascia che la sorgente di tensione esterna sia collegata con un polo positivo alla regione n e uno negativo alla regione p. Sotto l'influenza di tale tensione inversa, attraverso il passaggio scorre una corrente inversa molto piccola, che viene spiegata come segue. Il campo creato dalla tensione inversa viene aggiunto al campo della differenza di potenziale di contatto. Il campo risultante viene amplificato. Già con un leggero aumento della barriera, il movimento di diffusione dei portatori maggioritari attraverso la giunzione si arresta, poiché le velocità intrinseche dei portatori sono insufficienti per superare la barriera. E la corrente di conduzione rimane pressoché invariata, poiché è determinata principalmente dal numero di portatori minoritari che entrano nella regione di giunzione p-n dai volumi delle regioni n e p. Viene chiamata la rimozione dei portatori minoritari attraverso una giunzione pn da parte di un campo elettrico accelerato creato da una tensione esterna estrazione di portatori di carica.

Pertanto, la corrente inversa è praticamente una corrente di conduzione formata dal movimento di portatori di minoranza. La corrente inversa risulta essere molto piccola, poiché ci sono pochi portatori di minoranza e, inoltre, la resistenza dello strato barriera con una tensione inversa è molto alta. Infatti, con un aumento della tensione inversa, il campo nella regione di transizione diventa più forte e, sotto l'azione di questo campo, più portatori maggioritari vengono "spinti" fuori dagli strati limite all'interno delle piroregioni. Pertanto, con un aumento della tensione inversa, non solo aumenta l'altezza della barriera di potenziale, ma anche lo spessore dello strato barriera. Questo strato diventa ancora più impoverito di portatori e la sua resistenza aumenta in modo significativo.

Anche con una tensione inversa relativamente piccola, la corrente inversa raggiunge un valore quasi costante, che può essere chiamato corrente di saturazione. Questo perché il numero di portatori di minoranza è limitato. All'aumentare della temperatura, la loro concentrazione aumenta e la corrente inversa aumenta, mentre la resistenza inversa diminuisce. Consideriamo più in dettaglio come viene impostata la corrente inversa quando viene attivata la tensione inversa. In primo luogo, c'è un processo transitorio associato al movimento dei vettori principali. Gli elettroni nella regione p si muovono verso il polo positivo della sorgente, cioè si allontanano dalla transizione p-p. E nella regione p, allontanandosi dalla giunzione p-n, i buchi si muovono. All'elettrodo negativo, si ricombinano con gli elettroni che provengono dal filo che collega questo elettrodo al polo negativo della sorgente.

Poiché gli elettroni lasciano la regione n, questa diventa caricata positivamente, poiché al suo interno rimangono atomi caricati positivamente dell'impurità del donatore. Allo stesso modo, la regione p si carica negativamente, i suoi buchi vengono riempiti di elettroni in arrivo e gli atomi di impurità accettori caricati negativamente rimangono al suo interno.

Il movimento considerato dei principali vettori in direzioni opposte dura solo un piccolo periodo di tempo. Questa corrente transitoria è simile alla corrente di carica di un condensatore. Su entrambi i lati della giunzione p-n sorgono due cariche spaziali opposte e l'intero sistema diventa simile a un condensatore carico con un cattivo dielettrico, in cui c'è una corrente di dispersione (il suo ruolo è svolto dalla corrente inversa). Ma la corrente di dispersione del condensatore, secondo la legge di Ohm, è proporzionale alla tensione applicata e la corrente inversa della giunzione pn dipende relativamente poco dalla tensione.

13. CARATTERISTICHE VOLT-AMPERE DI UN DIODO A SEMICONDUTTORE

Per qualsiasi dispositivo elettrico, il rapporto tra la corrente attraverso il dispositivo e la tensione applicata è importante. Conoscendo questa dipendenza, è possibile determinare la corrente ad una determinata tensione o, al contrario, la tensione corrispondente ad una determinata corrente.

Se la resistenza del dispositivo è costante, indipendente dalla corrente o dalla tensione, è espressa dalla legge di Ohm: i= u/R, oppure i= Gu.

La corrente è direttamente proporzionale alla tensione. Il coefficiente di proporzionalità è la conducibilità G =1/R.

Il grafico della relazione tra corrente e tensione è chiamato "caratteristica di tensione" di questo dispositivo. Per un dispositivo che obbedisce alla legge di Ohm, la caratteristica è una retta passante per l'origine.

I dispositivi che obbediscono alla legge di Ohm e hanno una caratteristica corrente-tensione sotto forma di una retta passante per l'origine sono chiamati lineari.

Esistono anche dispositivi in ​​cui la resistenza non è costante, ma dipende dalla tensione o dalla corrente. Per tali dispositivi, la relazione tra corrente e tensione non è espressa dalla legge di Ohm, ma in modo più complesso, e la caratteristica corrente-tensione non è una retta. Questi dispositivi sono chiamati non lineare.

Una giunzione elettrone-lacuna è essenzialmente un diodo a semiconduttore.

La corrente inversa aumenta rapidamente all'aumentare della tensione inversa all'inizio. Ciò è dovuto al fatto che già a una piccola tensione inversa, a causa dell'aumento della barriera di potenziale nella giunzione, la corrente di diffusione, che è diretta di fronte alla corrente di conduzione, diminuisce drasticamente. Di conseguenza, la corrente totale aumenta notevolmente. Tuttavia, con un ulteriore aumento della tensione inversa, la corrente aumenta leggermente, ovvero si verifica un fenomeno simile alla saturazione. L'aumento della corrente si verifica a causa del riscaldamento della giunzione da parte della corrente, a causa di perdite sulla superficie, e anche per la moltiplicazione a valanga dei portatori di carica, ovvero un aumento del numero di portatori di carica a causa della ionizzazione d'urto .

Questo fenomeno consiste nel fatto che a una tensione inversa più elevata, gli elettroni acquisiscono una velocità maggiore e, colpendo gli atomi del reticolo cristallino, espellono da essi nuovi elettroni, che a loro volta vengono accelerati dal campo e mettono fuori combattimento anche gli elettroni da gli atomi. Questo processo si intensifica con l'aumentare della tensione.

Ad un certo valore della tensione inversa, rottura pn-junction, in cui la corrente inversa aumenta bruscamente e la resistenza dello strato barriera diminuisce bruscamente. È necessario distinguere tra rottura elettrica e termica della giunzione pn. Un guasto elettrico è reversibile se, durante tale guasto, non si verificano cambiamenti irreversibili (distruzione della struttura della sostanza) nella giunzione. Pertanto, è consentito il funzionamento del diodo in modalità di guasto elettrico. Ci possono essere due tipi di guasto elettrico, che spesso si accompagnano a vicenda: valanga и tunnel.

La rottura della valanga è spiegata dalla moltiplicazione della valanga del vettore considerata a causa della ionizzazione da impatto. Questa scomposizione è tipica per giunzioni pn di grande spessore, ottenute a una concentrazione relativamente bassa di impurità nei semiconduttori. La tensione di rottura per la rottura da valanga è tipicamente di decine o centinaia di volt.

La rottura del tunneling è spiegata da un fenomeno molto interessante dell'effetto tunnel. La sua essenza sta nel fatto che con un campo sufficientemente forte con una forza superiore a 105 V / cm, agendo in una giunzione p-g di piccolo spessore, alcuni elettroni penetrano attraverso la giunzione senza cambiare la loro energia. Transizioni sottili, in cui è possibile l'effetto tunnel, si ottengono ad un'elevata concentrazione di impurità. La tensione di rottura corrispondente alla rottura del tunnel di solito non supera alcuni volt.

14. CAPACITÀ DI UN DIODO A SEMICONDUTTORE

La giunzione P-n a tensione inversa è simile a un condensatore con una perdita significativa nel dielettrico. Lo strato bloccante ha una resistenza molto elevata e su entrambi i lati sono presenti due cariche spaziali opposte create da atomi ionizzati delle impurità del donatore e dell'accettore. Pertanto, la giunzione pn ha una capacità simile a quella di un condensatore a due piastre. Questo contenitore è chiamato capacità di barriera.

La capacità di barriera, come la capacità dei condensatori convenzionali, aumenta con un aumento dell'area della giunzione pn e della costante dielettrica della sostanza semiconduttrice e con una diminuzione dello spessore dello strato barriera. Una caratteristica della capacità della barriera è che è una capacità non lineare, cioè cambia con una variazione della tensione alla giunzione. Se la tensione inversa aumenta, lo spessore dello strato barriera aumenta. E poiché questo strato svolge il ruolo di dielettrico, la capacità della barriera diminuisce.

La capacità della barriera è dannosa per la rettifica AC perché devia il diodo e la corrente AC scorre attraverso di esso a frequenze più alte. Ma allo stesso tempo, c'è anche un'utile applicazione della capacità di barriera. Diodi speciali chiamati varicap, utilizzati come condensatori variabili per la sintonizzazione di circuiti oscillatori, nonché in alcuni circuiti, il cui funzionamento si basa sull'uso di capacità non lineari. A differenza dei condensatori variabili convenzionali, in cui la variazione di capacità avviene meccanicamente, nei varicap questa variazione si ottiene regolando l'entità della tensione inversa. Viene chiamato il metodo per sintonizzare i circuiti oscillatori utilizzando varicap impostazione elettronica.

Con una tensione diretta, il diodo, oltre alla capacità di barriera, ha la cosiddetta capacità di diffusione, anch'essa non lineare e aumenta con l'aumentare della tensione diretta. La capacità di diffusione caratterizza l'accumulo di portatori di carica mobili nelle regioni n e p in presenza di una tensione diretta alla giunzione. Esiste solo a tensione diretta, quando i portatori di carica si diffondono in grandi quantità attraverso una barriera potenziale ridotta e, senza avere il tempo di ricombinarsi, si accumulano nelle regioni n e p. Quindi, ad esempio, se in alcuni diodi la regione p è un emettitore e la regione p è la base, quando viene applicata una tensione diretta dalla regione p alla regione p, un gran numero di fori si precipita attraverso la giunzione e, quindi, una carica positiva. Allo stesso tempo, sotto l'azione di una sorgente di tensione continua, gli elettroni entrano nella regione p dal filo del circuito esterno e in questa regione si forma una carica negativa. Le lacune e gli elettroni nella regione n non possono ricombinarsi istantaneamente. Pertanto, ciascun valore della tensione diretta corrisponde ad un certo valore di due cariche opposte uguali accumulate nella regione n a causa della diffusione dei portatori attraverso la giunzione.

La capacità di diffusione è molto maggiore della capacità di barriera, ma nella maggior parte dei casi non ha un effetto significativo sul funzionamento del diodo, e non può nemmeno essere utilizzata, poiché è sempre deviata dalla bassa resistenza diretta del diodo stesso . Di norma, solo la capacità della barriera è di importanza pratica.

15. APPLICAZIONE DI DIODI A SEMICONDUTTORE PER LA RETTIFICA DI AC

La rettifica AC è uno dei processi principali nell'elettronica radio. In un raddrizzatore, l'energia CA viene convertita in energia CC.

I diodi a semiconduttore conducono bene la corrente nella direzione in avanti e conducono male nella direzione inversa e, quindi, lo scopo principale della maggior parte dei diodi è Rettifica AC.

Nei raddrizzatori per l'alimentazione di apparecchiature elettroniche, un trasformatore di potenza collegato alla rete elettrica funge solitamente da generatore di campi elettromagnetici variabili. Invece di un trasformatore, a volte viene utilizzato un autotrasformatore. In alcuni casi, il raddrizzatore è alimentato dalla rete del trasformatore. Il ruolo del resistore di carico, ovvero il consumatore di energia in corrente continua, nei circuiti pratici è svolto da quei circuiti o dispositivi alimentati da un raddrizzatore. Quando si rettificano le correnti ad alta frequenza, ad esempio, negli stadi di rilevamento dei ricevitori radio, un trasformatore ad alta frequenza o un circuito oscillatorio risonante funge da generatore di campi elettromagnetici variabili e un resistore di carico appositamente incluso ha una grande resistenza.

L'uso di un condensatore raddoppia la tensione inversa rispetto al suo valore in assenza di un condensatore. Molto pericoloso è un cortocircuito del carico, che, in particolare, si verifica quando il condensatore del filtro livellatore si rompe. Quindi l'intera tensione della sorgente verrà applicata al diodo e la corrente diventerà inaccettabile. in corso rottura termica del diodo.

Il vantaggio dei diodi a semiconduttore rispetto a quelli sottovuoto non è solo l'assenza di riscaldamento del catodo, ma anche una piccola caduta di tensione attraverso il diodo con corrente continua. Indipendentemente dall'entità della corrente, ovvero dalla potenza per la quale è progettato il diodo a semiconduttore, la tensione diretta ai suoi capi è di decimi di volt o poco più di 1 V. Pertanto, l'efficienza dei raddrizzatori con diodi a semiconduttore è superiore a con diodi sottovuoto. Quando si raddrizzano tensioni più elevate, l'efficienza aumenta, poiché in questo caso una perdita di tensione di circa 1V sul diodo stesso non è significativa.

Pertanto, i diodi a semiconduttore sono più economici dei diodi sottovuoto ed emettono meno calore durante il funzionamento, il che crea un riscaldamento dannoso di altre parti situate nelle vicinanze. Inoltre, i diodi a semiconduttore hanno una durata molto lunga. Ma il loro svantaggio è una tensione inversa di limitazione relativamente bassa, non superiore a centinaia di volt, mentre per i kenotroni ad alta tensione può arrivare fino a decine di kilovolt.

I diodi a semiconduttore possono essere utilizzati in qualsiasi circuito raddrizzatore. Se il filtro di livellamento del raddrizzatore si avvia con un condensatore di grandi dimensioni, quando viene attivata la tensione CA, si verifica un impulso di corrente per caricare il condensatore, spesso superando la corrente diretta consentita di questo diodo. Pertanto, per ridurre tale corrente, a volte un resistore limitatore con una resistenza dell'ordine di unità o decine di ohm viene talvolta collegato in serie al diodo.

Nei diodi a semiconduttore che funzionano in modalità raddrizzatore, si possono osservare significativi impulsi di corrente inversa quando la polarità della tensione è invertita. Questi impulsi sorgono per due ragioni. Innanzitutto, sotto l'influenza della tensione inversa, si ottiene un impulso di corrente che carica la capacità di barriera della giunzione pn. Maggiore è questa capacità, maggiore è questa quantità di moto. In secondo luogo, sotto tensione inversa, i portatori minoritari accumulati nelle regioni n e p vengono dissipati. In pratica, a causa della differenza di concentrazione di impurità in queste regioni, il ruolo principale è svolto dalla maggiore carica accumulata in una delle regioni.

16. INFORMAZIONI GENERALI SUI TRANSISTORI

Tra i dispositivi a semiconduttore a conversione elettrica, ovvero dispositivi utilizzati per convertire grandezze elettriche, un posto importante è occupato da transistor. Sono dispositivi a semiconduttore adatti all'amplificazione di potenza e hanno tre o più terminali. I transistor possono avere un numero diverso di transizioni tra regioni con conducibilità elettrica diversa. I transistor più comuni con due transizioni pn. Questi transistor sono chiamati bipolare, poiché il loro lavoro si basa sull'uso di portatori di carica di entrambi i segni. I primi transistor erano del tipo a punti, ma non erano abbastanza stabili. Attualmente prodotto e utilizzato esclusivamente planare transistor.

Un transistor bipolare planare è una piastra di germanio o un altro semiconduttore in cui vengono create tre regioni con conducibilità elettrica diversa.

La regione centrale del transistor è chiamata base, una regione estrema è l'emettitore, l'altra è il collettore. Pertanto, il transistor ha due giunzioni pn: la giunzione dell'emettitore tra l'emettitore e la base e la giunzione del collettore tra la base e il collettore. La distanza tra loro dovrebbe essere molto piccola, non più di pochi micron, cioè l'area della base dovrebbe essere molto sottile. Questa è la condizione più importante per il buon funzionamento del transistor. Inoltre, solitamente la concentrazione di impurità nella base è molto inferiore rispetto a quella nel collettore e nell'emettitore. Con l'aiuto di elettrodi metallici dalla base, dall'emettitore e dal collettore, si traggono conclusioni. (

Un transistor può funzionare in tre modalità, a seconda delle tensioni alle sue giunzioni. Il funzionamento in modalità attiva si ottiene se la tensione è diretta sulla giunzione dell'emettitore e inversa sulla giunzione del collettore. La modalità di interruzione o di blocco si ottiene applicando una tensione inversa a entrambe le transizioni. Se la tensione è diretta su entrambe le giunzioni, il transistor funziona in modalità saturazione. La modalità attiva è quella principale. In particolare, viene utilizzato nella maggior parte degli amplificatori e oscillatori.

Nei circuiti pratici con transistor, di solito si formano due circuiti. Il circuito di ingresso o di controllo viene utilizzato per controllare il funzionamento del transistor. Nel circuito di uscita, o controllato, si ottengono oscillazioni potenziate. La sorgente delle oscillazioni amplificate è inclusa nel circuito di ingresso e il carico è incluso nel circuito di uscita.

Le dipendenze tra correnti e tensioni nei transistor sono espresse dalle loro caratteristiche statiche, cioè caratteristiche rilevate a corrente continua e in assenza di carico nel circuito di uscita.

Le caratteristiche di ingresso e di uscita di un transistor sono strettamente correlate alla caratteristica corrente-tensione di un diodo a semiconduttore. Le specifiche di ingresso si riferiscono a una giunzione di emettitore che opera a tensione diretta. Pertanto, sono simili alla caratteristica di corrente inversa di un diodo. Le caratteristiche di uscita sono simili alla caratteristica di corrente inversa di un diodo in quanto riflettono le proprietà di una giunzione del collettore funzionante a tensione inversa.

Esistono anche caratteristiche di feedback che mostrano come la tensione all'ingresso del transistor cambia sotto l'influenza di una variazione della tensione di uscita, a condizione che la corrente di ingresso sia costante.

17. PROCESSI FISICI IN UN TRANSISTOR

Considera come funziona il transistor in modalità statica senza carico, quando sono accese solo fonti di tensioni di alimentazione costanti. La loro polarità è tale che la tensione sulla giunzione dell'emettitore è diretta e sulla giunzione del collettore è invertita. Pertanto, la resistenza della giunzione dell'emettitore è piccola e una sorgente con una tensione dell'ordine dei decimi di volt è sufficiente per ottenere una corrente normale in questa giunzione. La resistenza della giunzione del collettore è elevata e la tensione è solitamente di unità o decine di volt.

Il principio di funzionamento del transistor è che la tensione diretta della giunzione dell'emettitore influisce in modo significativo sulla corrente del collettore: maggiore è la tensione, maggiori sono le correnti dell'emettitore e del collettore. In questo caso, la variazione della corrente del collettore è solo leggermente inferiore alla variazione della corrente dell'emettitore. Pertanto, la tensione di ingresso controlla la corrente del collettore. L'amplificazione delle oscillazioni elettriche con l'ausilio di un transistor si basa proprio su questo fenomeno.

I processi fisici nel transistor si verificano come segue. Con un aumento della tensione di ingresso diretta, la potenziale barriera nella giunzione dell'emettitore diminuisce e, di conseguenza, aumenta la corrente attraverso questa giunzione: la corrente dell'emettitore. Gli elettroni di questa corrente vengono iniettati dall'emettitore nella base e, a causa del fenomeno della diffusione, penetrano attraverso la base nella regione della giunzione del collettore, aumentando la corrente del collettore. Poiché la giunzione del collettore funziona con una tensione inversa, nella regione di questa giunzione si ottengono cariche spaziali. Tra di loro c'è un campo elettrico. Promuove il passaggio degli elettroni che sono arrivati ​​qui dall'emettitore attraverso la giunzione del collettore, cioè attira gli elettroni nella regione della giunzione del collettore.

Se lo spessore della base è sufficientemente piccolo e la concentrazione di fori al suo interno è bassa, la maggior parte degli elettroni, dopo aver attraversato la base, non ha il tempo di ricombinarsi con i fori di base e raggiungere la giunzione del collettore. Solo una piccola frazione di elettroni si ricombina con i buchi nella base. Come risultato di questa ricombinazione, c'è una corrente di base che scorre nel filo di base. Come risultato della ricombinazione, un certo numero di lacune scompare ogni secondo, ma ogni secondo appare lo stesso numero di nuove lacune a causa dello stesso numero di elettroni che lasciano la base verso il polo della sorgente. Non può esserci accumulo di un gran numero di elettroni nella base. La corrente di base è inutile e persino dannosa. È auspicabile che la corrente di base sia la più piccola possibile. Per fare ciò, la base viene resa molto sottile e la concentrazione di impurità in essa contenuta, che determina la concentrazione dei fori, viene ridotta. In queste condizioni, un numero minore di elettroni si ricombinerà nella base con dei buchi.

Il nome "emettitore" dato a uno degli elettrodi sottolinea che gli elettroni, per così dire, emettono da questo elettrodo alla base. In realtà, non si tratta di emissione, ma di iniezione di elettroni dall'emettitore nella base. L'uso di questo termine è necessario per distinguere questo fenomeno dall'emissione di elettroni, che si traduce nella produzione di elettroni nel vuoto o gas rarefatto.

L'emettitore dovrebbe essere chiamato la regione del transistor, il cui scopo è l'iniezione di portatori di carica nella base. Un collettore è un'area il cui scopo è estrarre i portatori di carica dalla base. E la base è la regione in cui i portatori di carica che sono minori per questa regione vengono iniettati dall'emettitore.

L'emettitore e il collettore possono essere scambiati. Ma nei transistor, di regola, la giunzione del collettore è realizzata con un'area molto più ampia della giunzione dell'emettitore, poiché la potenza dissipata nella giunzione del collettore è molto maggiore rispetto alla giunzione dell'emettitore.

18. SCHEMI DI BASE PER L'ACCENSIONE DEI TRANSISTORI

applicare tre schemi principali inclusione di transistor nell'amplificazione o in altre cascate. In questi circuiti, uno degli elettrodi del transistor è il punto di ingresso e di uscita comune dello stadio.

I circuiti di base per la commutazione dei transistor sono chiamati, rispettivamente, circuiti con un emettitore comune, una base comune e un collettore comune.

Il circuito dell'emettitore comune è il più comune, poiché fornisce il massimo guadagno di potenza.

Il guadagno di corrente di tale stadio è il rapporto tra le ampiezze delle correnti alternate di uscita o di ingresso, cioè le componenti variabili del collettore e le correnti di base. Poiché la corrente del collettore è decine di volte maggiore della corrente di base, il guadagno di corrente è dell'ordine delle decine.

Le proprietà di amplificazione di un transistor quando è acceso secondo un circuito con un emettitore comune sono caratterizzate da uno dei suoi parametri principali: il guadagno di corrente statica per un circuito con un emettitore comune. Poiché dovrebbe caratterizzare solo il transistor stesso, viene determinato in modalità senza carico, ovvero con una tensione collettore-emettitore costante.

Il guadagno di tensione della cascata è uguale al rapporto tra le ampiezze delle tensioni alternate di uscita e di ingresso. L'ingresso è la tensione base-emettitore e l'uscita è la tensione CA attraverso il resistore di carico o tra il collettore e l'emettitore.

Il circuito a base comune offre un guadagno di potenza molto inferiore e ha un'impedenza di ingresso persino inferiore rispetto al circuito a emettitore comune, tuttavia viene utilizzato abbastanza spesso, poiché è molto migliore del circuito a emettitore comune in termini di proprietà di frequenza e temperatura.

Il guadagno di corrente di uno stadio con una base comune è sempre leggermente inferiore all'unità. Ciò deriva dal fatto che la corrente del collettore è sempre solo leggermente inferiore alla corrente dell'emettitore.

Il parametro più importante dei transistor è il guadagno di corrente statica per un circuito di base comune. È determinato per la modalità a vuoto, cioè a tensione costante "collettore - base".

Per un circuito con una base comune, non c'è sfasamento tra la tensione di uscita e quella di ingresso, cioè la fase della tensione non si inverte durante l'amplificazione.

Schema con un collezionista comune. In esso, infatti, il collettore è un punto comune di entrata e di uscita, poiché le alimentazioni sono sempre derivate da grandi condensatori e per la corrente alternata può essere considerato un cortocircuito. La particolarità di questo circuito è che la tensione di ingresso viene completamente ritrasferita all'ingresso, ovvero c'è un feedback negativo molto forte. La tensione di ingresso è uguale alla somma della tensione CA dell'emettitore base e della tensione di uscita.

Il guadagno di corrente della cascata con collettore comune è quasi lo stesso che nel circuito con emettitore comune, cioè ha un valore dell'ordine delle decine. Il guadagno di tensione è vicino all'unità, ma sempre inferiore.

La tensione di uscita è in fase con la tensione di ingresso ed è quasi uguale ad essa in grandezza. Cioè, la tensione di uscita ripete l'ingresso.

19. PROPRIETÀ DI FREQUENZA DEI TRANSISTORI

All'aumentare della frequenza, il guadagno fornito dai transistor diminuisce. Ci sono due ragioni principali per questo fenomeno. In primo luogo, a frequenze più alte, è dannoso capacità di giunzione del collettore. Alle basse frequenze, la resistenza di capacità è molto grande, anche la resistenza del collettore è molto grande e si può considerare che tutta la corrente va al resistore di carico. Ma a una certa frequenza elevata, la resistenza della capacità diventa relativamente piccola e una parte evidente della corrente creata dal generatore si dirama in essa e la corrente nel resistore diminuisce di conseguenza. Di conseguenza, la tensione di uscita e la potenza di uscita vengono ridotte.

La capacità della giunzione di emettitore riduce anche la sua resistenza all'aumentare della frequenza, ma è sempre deviata dalla bassa resistenza della giunzione di emettitore e quindi il suo effetto dannoso può manifestarsi solo a frequenze molto elevate. In pratica, a frequenze più basse, la capacità, che è deviata da una resistenza di giunzione del collettore molto grande, ha già un effetto così forte che il funzionamento di un transistor che potrebbe essere influenzato dalla capacità diventa impraticabile. Pertanto, l'effetto della capacità nella maggior parte dei casi può essere ignorato.

La seconda ragione per la diminuzione del guadagno alle frequenze più alte è Ritardo di fase AC collettore da un emettitore di corrente alternata. È causato dall'inerzia del processo di spostamento dei portatori attraverso la base dalla giunzione dell'emettitore alla giunzione del collettore, nonché dall'inerzia dei processi di accumulo e dissipazione di carica nella base. I vettori, come gli elettroni in un transistor di tipo npn, svolgono un movimento di diffusione nella base e quindi la loro velocità non è molto elevata. Il tempo di transito dei portanti attraverso la base nei transistor convenzionali è dell'ordine di 10-7 s, ovvero 0,1 μs o meno. Naturalmente, questo tempo è molto breve, ma a frequenze dell'ordine delle unità e decine di megahertz e superiori, provoca un notevole sfasamento tra le correnti del collettore e dell'emettitore. A causa di questo sfasamento alle alte frequenze, la corrente alternata di base aumenta e questo riduce il guadagno di corrente.

Indichiamo il guadagno di corrente per il circuito con un emettitore comune in, e il guadagno di corrente per il circuito con una base comune b.

All'aumentare della frequenza, v diminuisce molto più di b. Il coefficiente b diminuisce per l'influenza della capacità e il valore di c è anche influenzato dallo sfasamento tra le correnti di collettore ed emettitore a causa del tempo che i portatori percorrono attraverso la base. Il circuito a emettitore comune, rispetto al circuito a base comune, ha proprietà di frequenza significativamente peggiori.

È consuetudine considerare la diminuzione massima consentita dei valori di b e c del 30% rispetto ai loro valori alle basse frequenze.

Quelle frequenze alle quali si ottiene una tale diminuzione del guadagno sono chiamate frequenze di guadagno limite o limite per i circuiti con una base comune e un emettitore comune.

Oltre alle frequenze di amplificazione limitanti, il transistor è caratterizzato anche da una frequenza massima di generazione, alla quale il guadagno di potenza in cascata diminuisce a 1.

Alle alte frequenze, non cambiano solo i valori di e c. A causa dell'influenza delle capacità di giunzione e del tempo di transito della portante attraverso la base, nonché dei processi di accumulo e dissipazione di cariche nella base, i parametri intrinseci del transistor alle alte frequenze cambiano il loro valore e non sono più resistenze puramente attive. Anche tutti gli altri parametri cambiano.

È possibile ottenere frequenze di taglio più elevate utilizzando semiconduttori che hanno una mobilità portante più elevata.

20. MODALITÀ IMPULSO DEI TRANSISTORI

I transistor, come i diodi a semiconduttore, sono utilizzati in vari dispositivi a impulsi. Il funzionamento dei transistor in modalità pulsata, altrimenti chiamata modalità chiave o commutazione, ha una serie di caratteristiche.

Prendere in considerazione modalità a impulsi transistor utilizzando le sue caratteristiche di uscita per un circuito a emettitore comune. Lascia che una resistenza di carico sia inclusa nel circuito del collettore. Di solito, prima che l'ingresso del transistor riceva un impulso di corrente di ingresso o tensione di ingresso, il transistor è nello stato spento. Una piccola corrente scorre nel circuito del collettore e, quindi, questo circuito può essere approssimativamente considerato aperto. La tensione della sorgente è quasi tutta applicata completamente al transistor.

Se all'ingresso viene applicato un impulso di corrente con un valore massimo, il transistor va nella regione di saturazione. Risulta un impulso di corrente del collettore con un valore massimo. A volte è indicato come corrente di saturazione. In questa modalità, il transistor agisce come una chiave chiusa e quasi tutta la tensione della sorgente scende attraverso il resistore, e il transistor ha solo una tensione residua molto piccola dell'ordine di dieci frazioni di volt, comunemente chiamata tensione di saturazione.

Se l'impulso di corrente in ingresso è inferiore al valore massimo, anche l'impulso di corrente del collettore diminuirà. Ma d'altra parte, un aumento dell'impulso di corrente di base al di sopra del valore massimo non dà più un aumento dell'impulso di corrente di uscita.

Il modo pulsato è caratterizzato anche dal guadagno di corrente, che, contrariamente a v, è determinato non attraverso l'incremento delle correnti, ma come il rapporto delle correnti corrispondente al modo di saturazione.

In altre parole, β è un parametro che caratterizza l'amplificazione di piccoli segnali e il guadagno di corrente si riferisce all'amplificazione di grandi segnali, in particolare impulsi, e differisce leggermente da β in grandezza.

Il parametro della modalità a impulsi del transistor è anche la sua resistenza di saturazione. Il valore della resistenza di saturazione per i transistor destinati al funzionamento a impulsi è solitamente dell'ordine delle unità, a volte decine di ohm.

Analogamente al circuito considerato con emettitore comune, anche il circuito con base comune funziona in modalità pulsata.

Se la durata dell'impulso di ingresso è molte volte maggiore del tempo dei processi transitori di accumulo e dissipazione di cariche nella base del transistor, l'impulso di corrente di uscita avrà quasi la stessa durata e forma dell'impulso di ingresso. Ma con impulsi brevi si può osservare una significativa distorsione della forma dell'impulso della corrente di uscita e un aumento della sua durata.

Il graduale aumento della corrente è associato al processo di accumulo dei portatori nella base. Inoltre, i portatori iniettati nella base all'inizio dell'impulso di corrente in ingresso hanno velocità differenti del loro moto di diffusione e non raggiungono tutti contemporaneamente il collettore. Dopo la fine dell'impulso di ingresso dovuto al processo di dissipazione della carica accumulata nella base, la corrente continua per qualche tempo, per poi diminuire gradualmente durante il tempo di decadimento. Di conseguenza, il processo di accensione e spegnimento del circuito del collettore rallenta, il tempo durante il quale si trova in uno stato chiuso viene ritardato. In altre parole, a causa dell'inerzia dei processi di accumulo e dissipazione della carica nella base, il transistor non può effettuare accensioni e spegnimenti sufficientemente veloci, ovvero non fornisce velocità sufficiente per la modalità di commutazione.

21. PRINCIPALI TIPI DI TRANSISTORI

I tipi di transistor esistenti sono classificati in base al metodo di produzione, ai materiali utilizzati, alle caratteristiche di funzionamento, allo scopo, alla potenza, alla gamma di frequenza operativa e ad altre caratteristiche. I transistor a punti, storicamente i primi, non vengono più utilizzati. Ritenere transistor planari. Come semiconduttori per transistor prodotti dall'industria, vengono utilizzati germanio e silicio. In base alla potenza massima rilasciata nella giunzione del collettore, ci sono transistor di bassa, media e alta potenza. A seconda della frequenza operativa limite, i transistor sono a bassa frequenza (fino a 3 MHz), media frequenza (da 3 a 30 MHz) e ad alta frequenza (oltre 30 MHz).

Per la stragrande maggioranza dei transistor, il processo fisico principale è l'iniezione della portante, ma esiste un gruppo di transistor che funzionano senza iniezione. Questi includono, in particolare, transistor di campo (canale). I transistor a iniezione possono avere un numero diverso di giunzioni pn.

Eccezionalmente diffusi sono i transistor bipolari con due giunzioni pn. Esistono due tipi di tali transistor: deriva, in cui il trasferimento di portatori di carica minori attraverso la base viene effettuato principalmente per deriva, cioè sotto l'azione di un campo elettrico in accelerazione, e senza deriva, in cui tale trasferimento viene effettuato principalmente per diffusione.

I transistor Driftless hanno la stessa concentrazione di impurità in tutto il volume di base. Di conseguenza, nella base non si forma alcun campo elettrico e i portatori al suo interno eseguono un movimento di diffusione dall'emettitore al collettore. La velocità di tale movimento è inferiore alla velocità di deriva del vettore nel campo di accelerazione. Pertanto, i transistor driftless sono progettati per frequenze più basse rispetto a quelli drift.

Nei transistor di deriva, il campo elettrico nella base accelera i portatori di minoranza mentre si muovono verso il collettore. Pertanto, la frequenza limite e il guadagno di corrente aumentano. Molto spesso, il campo elettrico nella base viene creato a causa della concentrazione ineguale di impurità nella maggior parte della base, che può essere ottenuta con il metodo di diffusione della produzione di giunzioni pn. I transistor realizzati in questo modo sono chiamati diffusione.

Transistor senza deriva la maggior parte ha giunzioni in lega ottenute utilizzando una tecnologia simile ai diodi. Questi transistor sono chiamati transistor in lega. Le impurità vengono fuse nella piastra semiconduttrice principale da entrambi i lati, formando le regioni di emettitore e di collettore. Poiché la giunzione del collettore dissipa più potenza, di solito è molto più grande della giunzione dell'emettitore. Tuttavia, possono essere realizzati anche transistor simmetrici in lega in cui entrambe le giunzioni sono le stesse.

I transistor di deriva sono realizzati a frequenze limite dieci volte superiori a quelle dei transistor in lega. Sotto l'azione del campo in accelerazione, i vettori si muovono molto più velocemente nella base. Nella produzione di transistor a deriva viene utilizzato il metodo di diffusione, in cui la base può essere resa molto sottile. La transizione del collettore risulta essere regolare e quindi la sua capacità è molto inferiore a quella delle transizioni in lega. A causa del piccolo spessore della base, i guadagni b e c sono molto superiori a quelli dei transistor in lega. Il metodo di diffusione consente di fabbricare transistor in modo più accurato, con una minore diffusione di parametri e caratteristiche.

22. INFORMAZIONI GENERALI SUI DISPOSITIVI ELETTROVUOTI E PRINCIPI DELLA LORO CLASSIFICAZIONE

I dispositivi elettrovuoto sono ampiamente utilizzati. Con l'aiuto di questi dispositivi, è possibile convertire l'energia elettrica di un tipo in energia elettrica di un altro tipo, che differisce per forma, intensità e frequenza della corrente o della tensione, nonché l'energia della radiazione in energia elettrica e viceversa.

Per mezzo di dispositivi per elettrovuoto è possibile effettuare la regolazione di varie grandezze elettriche, luminose e di altro tipo in modo fluido o graduale, ad alta o bassa velocità e con bassi costi energetici per il processo di regolazione stesso, cioè senza una significativa riduzione di efficienza, caratteristica di molti altri metodi di regolazione e controllo.

Questi vantaggi dei dispositivi di elettrovuoto hanno portato al loro utilizzo per la rettifica, l'amplificazione, la generazione e la conversione di frequenza di varie correnti elettriche, l'oscillografia di fenomeni elettrici e non elettrici, il controllo e la regolazione automatici, la trasmissione e la ricezione di immagini televisive, varie misurazioni e altri processi.

I dispositivi per elettrovuoto sono dispositivi in ​​cui lo spazio di lavoro, isolato da un guscio a tenuta di gas, ha un alto grado di rarefazione o è riempito con un mezzo speciale (vapori o gas) e il cui funzionamento si basa sull'uso di fenomeni elettrici nel vuoto o gas.

I dispositivi per elettrovuoto si dividono in dispositivi elettronici, in cui una corrente puramente elettronica passa nel vuoto, e dispositivi ionici (scarica di gas), caratterizzati da una scarica elettrica in un gas o vapore.

Nei dispositivi elettronici, la ionizzazione è praticamente assente e, se osservata in piccola misura, non ha un effetto evidente sul funzionamento di questi dispositivi. La rarefazione del gas in questi dispositivi è stimata dalla pressione dei gas residui inferiore a 10-6 mm Hg. Art., caratteristica dell'alto vuoto.

Nei dispositivi ionici, la pressione dei gas residui è di 10-3 mm Hg. Arte. e superiore. A tale pressione, una parte significativa degli elettroni in movimento si scontra con le molecole di gas, portando alla ionizzazione e, quindi, in questi dispositivi, i processi sono elettrone-ioni.

L'azione dei dispositivi elettrovuoto conduttivi (senza scarica) si basa sull'uso di fenomeni associati alla corrente elettrica in conduttori solidi o liquidi in un gas rarefatto. In questi dispositivi non c'è scarica elettrica nel gas o nel vuoto.

I dispositivi per elettrovuoto sono suddivisi in base a vari criteri. Un apposito gruppo è costituito dai tubi a vuoto, ovvero dispositivi elettronici predisposti per diverse conversioni di grandezze elettriche. In base al loro scopo, queste lampade sono generatori, amplificatori, raddrizzatori, convertitori di frequenza, rivelatori, misurazioni, ecc. La maggior parte di esse sono progettate per funzionare in modalità continua, ma producono anche lampade per modalità pulsata. Creano impulsi elettrici, cioè correnti a breve termine, a condizione che la durata degli impulsi sia molto inferiore agli intervalli tra gli impulsi.

I dispositivi di elettrovuoto sono classificati anche secondo molti altri criteri: dal tipo di catodo (riscaldato o freddo), dal design del cilindro (vetro, metallo, ceramica o combinato), dal tipo di raffreddamento (naturale, cioè radiante, forzato aria, acqua).

23. DISPOSITIVO E PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO DEL DIODO

Lo scopo principale di una lampada a due elettrodi, chiamata diodo, è Rettifica AC.

Il diodo ha due elettrodi metallici in una bottiglia sottovuoto in vetro, metallo o ceramica. Un elettrodo è un catodo riscaldato che serve ad emettere elettroni. L'altro elettrodo, l'anodo, serve ad attirare gli elettroni emessi dal catodo e creare un flusso di elettroni liberi. Il catodo e l'anodo di un diodo a vuoto sono simili all'emettitore e alla base di un diodo a semiconduttore. L'anodo attrae gli elettroni se ha un potenziale positivo rispetto al catodo. Nello spazio tra l'anodo e il catodo si forma un campo elettrico che, con un potenziale anodico positivo, accelera per gli elettroni emessi dal catodo. Gli elettroni emessi dal catodo si muovono verso l'anodo sotto l'azione del campo.

Nel caso più semplice, il catodo è costituito da un filo metallico, riscaldato da una corrente. Gli elettroni vengono emessi dalla sua superficie. Tali catodi sono chiamati catodi di riscaldamento diretto e diretto.

Anche ampiamente utilizzato catodi di riscaldamento indiretto, altrimenti noto come riscaldato. Questo tipo di catodo ha un cilindro metallico la cui superficie è ricoperta da uno strato attivo che emette elettroni. All'interno del cilindro è presente un riscaldatore a forma di filo riscaldato dalla corrente.

Tra anodo e catodo, gli elettroni formano una carica elettrica negativa distribuita nello spazio, detta volumetrica o spaziale, che impedisce il movimento degli elettroni verso l'anodo. Se il potenziale positivo dell'anodo non è abbastanza grande, non tutti gli elettroni possono superare l'effetto ritardante della carica spaziale e alcuni di essi ritornano al catodo.

Maggiore è il potenziale dell'anodo, più elettroni superano la carica spaziale e vanno all'anodo, cioè maggiore è la corrente del catodo.

In un diodo, gli elettroni che lasciano il catodo vengono trasferiti all'anodo. Viene chiamato il flusso di elettroni che volano all'interno della lampada dal catodo all'anodo e cadono sull'anodo corrente anodica. La corrente anodica è la corrente principale del tubo elettronico. Gli elettroni della corrente anodica si muovono all'interno della lampada dal catodo all'anodo, e all'esterno della lampada - dall'anodo al più della sorgente anodica, all'interno di quest'ultima - dal suo più al meno e poi dal meno della sorgente a il catodo della lampada. Quando cambia il potenziale positivo dell'anodo, cambiano la corrente catodica e la corrente anodica uguale ad essa. Questo è il principio elettrostatico del controllo della corrente anodica. Se il potenziale dell'anodo è negativo rispetto al catodo, allora il campo tra l'anodo e il catodo è ritardante per gli elettroni emessi dal catodo. Questi elettroni vengono decelerati sotto l'azione del campo e ritornano al catodo. In questo caso le correnti catodica e anodica sono pari a zero. Pertanto, la proprietà principale di un diodo è la sua capacità di condurre corrente in una direzione. Il diodo ha conduzione unidirezionale.

I diodi rivelatori a bassa potenza sono prodotti con catodi riscaldati indirettamente. Hanno piccoli elettrodi, sono progettati per piccole correnti anodi, bassa potenza limitante rilasciata all'anodo e bassa tensione inversa. I diodi rivelatori per alte e ultraalte frequenze sono realizzati con la più piccola capacità possibile. I diodi più potenti (kenotroni) per raddrizzare la corrente alternata della rete sono prodotti con catodi a riscaldamento sia diretto che indiretto e sono progettati per una tensione inversa più elevata. I doppi diodi sono ampiamente utilizzati, ovvero due diodi in un cilindro.

24. TRIODO E SUOI ​​CIRCUITI

A differenza dei diodi, i triodi hanno un terzo elettrodo - griglia di controllo, di solito chiamata griglia semplice e situata tra l'anodo e il catodo. Serve per il controllo elettrostatico della corrente anodica. Se si modifica il potenziale della griglia rispetto al catodo, il campo elettrico cambierà e, di conseguenza, la corrente del catodo della lampada cambierà. Questa è l'azione di controllo della griglia.

Il catodo e l'anodo dei triodi sono gli stessi dei diodi. La griglia nella maggior parte delle lampade è fatta di filo che circonda il catodo. Il catodo, la griglia e l'anodo di un diodo a vuoto sono analoghi, rispettivamente, all'emettitore, alla base e al collettore di un transistor bipolare, o alla sorgente, al gate e al drain di un transistor ad effetto di campo.

Tutto ciò che riguarda la griglia è indicato dalla lettera "c".

Il triodo ha circuiti a filamento e anodo simili a quelli di un diodo e un circuito a griglia. Nei circuiti pratici, i resistori e altre parti sono inclusi nel circuito di griglia.

La differenza di potenziale tra la griglia e il catodo è la tensione di rete (tensione di rete) ed è indicata con Uc. Per una lampada con un catodo a filamento diretto, la tensione di griglia è determinata rispetto all'estremità del catodo collegata al polo negativo della sorgente anodica. Con una tensione di griglia positiva, parte degli elettroni emessi dal catodo colpisce la griglia e nel suo circuito si forma una corrente di griglia (corrente di griglia), denominata ic. La parte del triodo, costituita da un catodo, una griglia e uno spazio tra di loro, è simile nelle sue proprietà a un diodo e il circuito a griglia è simile al circuito anodico di un diodo. Il ruolo dell'anodo in questo diodo è svolto dalla griglia.

La corrente principale e utile nel triodo è la corrente anodica. È analogo alla corrente di collettore di un transistor bipolare o alla corrente di drain di un transistor ad effetto di campo. La corrente di rete, simile alla corrente di base di un transistor, è generalmente inutile e persino dannosa.

Di solito è molto inferiore alla corrente anodica. In molti casi, si sforzano di garantire che non ci sia corrente di rete. Per questo, la tensione di rete deve essere negativa. Quindi la griglia respinge gli elettroni e la corrente di griglia è praticamente assente. Ci sono casi in cui i triodi funzionano a tensioni di rete positive relativamente grandi e quindi la corrente di rete è significativa.

La possibilità di funzionamento di un triodo a vuoto senza un'azione dannosa della griglia lo distingue in modo significativo da un transistor bipolare, che non può funzionare senza una corrente di base.

Nel filo catodico, le correnti di anodo e griglia scorrono insieme. La corrente totale qui è la corrente catodica, o corrente catodica, ed è indicata con ik; ic = ia + ic.

La corrente del catodo è simile alla corrente di emettitore di un transistor bipolare o alla corrente sorgente di un transistor ad effetto di campo ed è determinata dal flusso totale di elettroni che si muovono dal catodo verso la griglia. In un diodo la corrente catodica è sempre uguale alla corrente anodica, e in un triodo queste correnti sono uguali solo quando Uc < 0, poiché in questo caso ic = 0.

In un triodo con un catodo a riscaldamento diretto nel circuito del filamento, la corrente del catodo si ramifica in due parti, che vengono sommate algebricamente con la corrente del filamento. Per misurare la corrente del catodo in questo caso, è necessario accendere il milliamperometro.

Come i diodi, i triodi hanno una conduzione unidirezionale e possono essere utilizzati per raddrizzare la corrente alternata. Ma non ha senso usarli per questo, poiché i diodi sono più semplici nel design e più economici. La capacità di controllare la corrente anodica utilizzando una griglia determina lo scopo principale dei triodi: l'amplificazione delle oscillazioni elettriche. I triodi vengono anche utilizzati per generare oscillazioni elettriche di varie frequenze. Il lavoro dei triodi nei generatori e in molti altri circuiti speciali nella maggior parte dei casi si riduce all'amplificazione delle oscillazioni.

25. CATODI SEMPLICI E COMPLESSI

catodi semplici, cioè catodi di metallo puro, fatti quasi esclusivamente di tungsteno (raramente tantalio) e riscaldati direttamente.

Il principale vantaggio del catodo di tungsteno è la stabilità della sua emissione. Ad un'incandescenza costante, l'emissione diminuisce solo gradualmente durante la vita del catodo. E per brevi periodi di tempo non ci sono praticamente variazioni nelle emissioni. Dopo un surriscaldamento temporaneo, non molto lungo, l'emissione non diminuisce. Un forte surriscaldamento è pericoloso, poiché il catodo potrebbe sciogliersi.

Il surriscaldamento prolungato riduce significativamente la durata del catodo di tungsteno. Aumentando la tensione del filamento solo del 5% si riduce la durata di 2 volte, abbassando il filamento del 5%, al contrario, si raddoppia la durata.

Il catodo di tungsteno non viene distrutto e non riduce le emissioni derivanti dagli impatti ionici. La resistenza del catodo di tungsteno al bombardamento ionico lo rende particolarmente adatto per lampade di elevata potenza funzionanti ad elevate tensioni anodiche. I catodi di tungsteno vengono utilizzati anche in speciali lampade elettrometriche, nelle quali è importante la costanza dell'emissione. Nelle lampade con catodo di tungsteno, le particelle di tungsteno in evaporazione formano uno strato sulla superficie del cilindro che assorbe i gas e migliora il vuoto. Lo svantaggio principale del catodo di tungsteno è la sua bassa efficienza. Di tutti i catodi, è il meno economico. La sua emissione è relativamente piccola. Ma a causa dell'elevata temperatura vengono emessi intensamente calore e raggi luminosi, per cui quasi tutta la potenza termica viene spesa inutilmente. Questo fu l'impulso per la creazione di catodi complessi più economici.

catodi complessi potrebbe avere un dispositivo diverso, in. In molti tipi di catodi, sulla superficie di un metallo puro si deposita uno strato attivante che riduce la funzione di lavoro e consente di ottenere elevate emissioni a temperature relativamente basse.

Il principale vantaggio dei catodi complessi è la loro efficienza. La temperatura di esercizio per alcuni tipi di catodi è di 1000 K. La durata raggiunge migliaia e anche decine di migliaia di ore. Entro la fine di questo periodo, c'è una diminuzione dell'emissione da una diminuzione della quantità di impurità attivanti, ad esempio, a causa della loro evaporazione. Alcuni tipi di catodi complessi danno un'emissione ultraelevata in modalità pulsata, cioè per brevi periodi di tempo separati l'uno dall'altro da pause molto più lunghe.

Il principale svantaggio dei catodi complessi è la bassa stabilità di emissione. Questi catodi riducono l'emissività durante il riscaldamento temporaneo, che si spiega con l'evaporazione delle sostanze attivanti a temperature elevate. Per ridurre la possibilità di ionizzazione nelle lampade con catodi complessi, è importante mantenere un vuoto molto alto. Ciò si ottiene utilizzando uno speciale assorbitore di gas.

I catodi complessi possono essere film e semiconduttori.

Vengono utilizzati nuovi tipi di catodi: bario-tungsteno-ariete, torio-ossido e molti altri. I catodi di bario-tungsteno producono riscaldamento indiretto. Sulla superficie del tungsteno poroso si forma una pellicola attivante porosa di bario e stronzio. Il film, evaporando, viene reintegrato a causa della diffusione di atomi di bario e stronzio attraverso il tungsteno da una compressa di ossidi di questi metalli. Il loro vantaggio è la resistenza al bombardamento di elettroni e ioni.

Nei cosiddetti catodi sinterizzati, l'ossido viene depositato su una spugna o griglia di nichel. La resistenza di un tale catodo è significativamente ridotta ed è molto meno soggetta a distorsioni e al verificarsi di punti caldi.

26. CATODI DI CALORE DIRETTO E INDIRETTO

I catodi riscaldati direttamente sono fili di sezione rotonda o rettangolare. Il suo spessore varia da 0,01 mm per le lampade più a basso consumo a 1-2 mm per lampade potenti. I catodi corti sono dritti. Quelli più lunghi sono piegati a forma di linea spezzata. Nei dispositivi ionici, il catodo ha spesso la forma di un solenoide. I potenti catodi di questi dispositivi sono costituiti da un nastro, una "fisarmonica" curva o lungo una linea elicoidale.

Vantaggi dei catodi a riscaldamento diretto sono la semplicità del dispositivo e la possibilità della loro fabbricazione per le lampade più a bassa potenza sotto forma di filamenti sottili per una piccola corrente di filamento. I catodi a riscaldamento diretto sono utilizzati nelle lampade del generatore ad alta potenza per le stazioni radio portatili e mobili a bassa potenza alimentate da batterie a secco o batterie, poiché in questi casi è importante risparmiare energia dalle fonti di corrente.

Il catodo sotto forma di filamento sottile si riscalda rapidamente dopo aver acceso il fuoco, il che è molto conveniente. Ma il grande svantaggio di questi catodi sono le pulsazioni parassite della corrente anodica quando il riscaldamento viene alimentato con corrente alternata. Creano molte interferenze, distorcono e soffocano i segnali utili. Con la ricezione uditiva, queste pulsazioni si manifestano come un ronzio caratteristico - "sottofondo di corrente alternata".

Lo svantaggio dei sottili catodi riscaldati direttamente è l'effetto microfono. Consiste nel fatto che la corrente anodica pulsa durante lo scuotimento meccanico della lampada. Gli shock esterni creano vibrazioni al catodo. La distanza tra il catodo e altri elettrodi varia. Questo porta all'ondulazione della corrente anodica.

I catodi riscaldati indirettamente sono ampiamente utilizzati. Solitamente, il catodo a riscaldamento indiretto ha un tubo di nichel con uno strato di ossido, all'interno del quale è inserito un riscaldatore di tungsteno avvolto ad anello. Per l'isolamento dal catodo, il riscaldatore è ricoperto da una massa di allumina calcinata, chiamata alundum. Con una lunghezza considerevole, il riscaldatore viene piegato più volte o attorcigliato lungo una linea elicoidale. In alcune lampade, il catodo è realizzato sotto forma di un cilindro basso con una base superiore rivestita di ossido. All'interno del cilindro è presente una stufa con isolamento in alundum, a forma di anello, avvolta a spirale. I catodi riscaldati indirettamente sono generalmente di ossido.

Il principale vantaggio dei catodi riscaldati indirettamente è l'eliminazione quasi completa delle dannose increspature quando alimentato da corrente alternata. Non vi è praticamente alcuna fluttuazione di temperatura, poiché la massa, e quindi la capacità termica, di questi catodi è molto maggiore di quella dei catodi a riscaldamento diretto. Il catodo a riscaldamento indiretto ha una grande inerzia termica. Decine di secondi passano dal momento in cui la corrente del filamento viene attivata fino al completo riscaldamento del catodo. La stessa quantità di tempo è necessaria per raffreddare il catodo.

Il catodo del riscaldamento indiretto è equipotenziale. Lungo di esso non c'è caduta di tensione dalla corrente del filamento. La tensione anodica per tutti i punti della sua superficie è la stessa. Non pulsa quando la tensione del filamento oscilla.

Il vantaggio dei catodi riscaldati indirettamente è un leggero effetto microfono. La massa del catodo è relativamente grande ed è difficile portarlo in uno stato di oscillazione.

I catodi riscaldati indirettamente presentano alcuni svantaggi. Sono più complessi nel design e hanno un'efficienza leggermente inferiore. I catodi a filamento indiretto sono difficili da progettare per correnti molto basse e sono quindi meno adatti per lampade a batteria a basso consumo ed economiche.

27. LA LEGGE DELLA POTENZA DI TRE SECONDI PER IL DIODO

Per un diodo operante in modalità carica spaziale, la corrente anodica e la tensione anodica sono correlate da una relazione non lineare, che, sulla base di calcoli teorici, è approssimativamente espressa dalla cosiddetta potenza delle tre seconde legge: /a = dia3/2 , dove il coefficiente dipende dalle dimensioni geometriche e dalla forma degli elettrodi e anche dalle unità selezionate.

La corrente anodica è proporzionale alla tensione anodica alla potenza di 3/2, e non alla prima potenza, come nella legge di Ohm. Se, ad esempio, la tensione anodica viene raddoppiata, la corrente anodica aumenta di circa 2,8 volte, ovvero diventerà il 40% in più di quanto dovrebbe essere secondo la legge di Ohm. Pertanto, la corrente anodica cresce più velocemente della tensione anodica.

Graficamente, la legge del grado dei tre secondi è rappresentata da una linea curva chiamata parabola semicubica.

La potenza della legge dei tre secondi è valida per tensioni anodiche positive, inferiori alle tensioni di saturazione.

Se deciframo il coefficiente q nella legge della potenza di tre secondi, allora questa legge per un diodo con elettrodi piatti dovrebbe essere scritta come segue:

ia \u2,33d 10 6-2 (Qa / d3a. k) Ua2 / XNUMX,

dove Qa è l'area dell'anodo, da. k - distanza "anodo - catodo".

Per diodi con elettrodi di forma diversa, vengono introdotte alcune correzioni nel coefficiente costante e Qa è la superficie attiva dell'anodo, cioè la superficie che subentra al flusso di elettroni principale. In questa formula, la corrente si ottiene in ampere se la tensione viene presa in volt e Qa e d2ak sono espressi in unità identiche, ad esempio in millimetri quadrati. La corrente è inversamente proporzionale al quadrato della distanza anodo-catodo. Riducendo questa distanza si aumenta notevolmente la corrente anodica.

La legge della potenza dei tre secondi, nonostante la sua imprecisione, è utile, poiché tiene conto delle proprietà non lineari del tubo elettronico nella sua forma più semplice.

Considera la derivazione della formula per la legge della potenza di tre secondi per un diodo con elettrodi piatti. Assumeremo che la carica spaziale q, che comprende tutti gli elettroni che volano verso l'anodo, si trovi così vicino al catodo che la distanza tra questa carica e l '"anodo" può essere considerata uguale alla distanza anodo-catodo da.k . Se il tempo del volo degli elettroni lungo la distanza da.k. è uguale a t, allora il valore della corrente anodica è: ia, = q/ t.

La carica q può essere espressa in termini di tensione anodica e capacità anodo-catodo Saq: q= Sa.k. Ua.

Allo stesso tempo, per la capacità di Ca.k. abbiamo la formula: Sa.k. \u0d ?0Qa / da.k., dove ?8,86 \u10d 16 2-XNUMXF / m è la permettività del vuoto e Qa è l'area dell'anodo. Il tempo di volo t è determinato attraverso la velocità media: t= da. k. / ?av, ma ?av = v/XNUMX, dove v è la velocità finale.

Infatti, a causa della disomogeneità del campo, la velocità media è leggermente inferiore a quella determinata dalle formule di cui sopra.

A causa dell'approssimazione della derivazione, il coefficiente costante in questa espressione è alquanto sovrastimato. Una derivazione più rigorosa fornisce un valore più accurato del coefficiente costante, ma questa conclusione si basa anche su ipotesi che non corrispondono alla realtà. In particolare, si assume che la velocità iniziale dell'elettrone sia zero e si presume che la distribuzione del potenziale sia la stessa del regime di saturazione, sebbene la legge di potenza dei tre secondi si applichi solo al regime di carica spaziale.

28. I PROCESSI FISICI IN UN TRIODO

Il catodo e l'anodo funzionano in un triodo allo stesso modo di un diodo. Nella modalità di carica spaziale, si forma una potenziale barriera vicino al catodo. Come in un diodo, l'intensità della corrente catodica dipende dall'altezza di questa barriera.

L'azione di controllo della griglia nel triodo simile all'azione di un anodo in un diodo. Se si modifica la tensione di rete, l'intensità di campo generata dalla rete cambia. Sotto l'influenza di ciò, l'altezza della potenziale barriera vicino al catodo cambia. Di conseguenza, il numero di elettroni che superano questa barriera, ovvero il valore della corrente di barriera, cambierà.

Quando la tensione di rete cambia verso il lato positivo, la barriera potenziale diminuisce, più elettroni emessi la superano, meno ritornano al catodo e la corrente del catodo aumenta. E quando la tensione di rete cambia in direzione negativa, la barriera di potenziale al catodo aumenta. Quindi sarà in grado di superare un numero minore di elettroni. Il numero di elettroni che ritornano al catodo aumenterà e la corrente del catodo diminuirà.

La griglia agisce sulla corrente del catodo molto più forte dell'anodo, perché si trova più vicino al catodo rispetto all'anodo ed è uno schermo per il campo elettrico dell'anodo.

Il rapporto tra gli effetti della griglia e dell'anodo sulla corrente anodica caratterizza il parametro più importante del triodo: il guadagno. Il guadagno è un numero astratto che mostra quante volte la tensione di griglia agisce sulla corrente anodica più forte della tensione anodica.

Una tensione di rete negativa relativamente piccola può ridurre significativamente la corrente anodica e persino interromperla completamente.

Un aumento della tensione di rete della rete è accompagnato da un aumento delle correnti anodi e di rete.

A grandi tensioni di griglia anodi positive, la corrente di griglia aumenta così tanto che la corrente anodica può persino diminuire.

Il cosidetto effetto isola. A causa della struttura disomogenea della griglia, anche il campo generato dalla griglia è disomogeneo e influisce in modo diverso sulla barriera potenziale vicino al catodo in diverse parti di esso. La griglia, per il suo campo, ha un effetto più forte sulla barriera di potenziale vicino a quelle parti del catodo che sono più vicine ai conduttori della griglia.

Vengono chiamate le caratteristiche di un triodo quando si opera in corrente continua e senza carico statico.

Ci sono caratteristiche teoriche ed effettive dei triodi. Le caratteristiche teoriche possono essere costruite sulla base della legge dei tre secondi e non sono esatte. Le caratteristiche effettive vengono rimosse sperimentalmente. Sono più precisi. Le ragioni della deviazione delle caratteristiche effettive da quelle teoriche per il triodo sono le stesse del diodo. La differenza di temperatura in diversi punti del catodo, la non equipotenzialità del catodo e il riscaldamento aggiuntivo del catodo da parte della corrente anodica hanno un effetto significativo. Le sezioni delle caratteristiche per piccole correnti anodiche sono fortemente influenzate dalla velocità iniziale dell'elettrone, differenza di potenziale di contatto e termo-EMF.

In un triodo, questi fattori influenzano più fortemente che in un diodo, poiché la loro azione si estende non solo al circuito dell'anodo, ma anche al circuito della griglia.

29. TENSIONE ATTIVA E LEGGE DELLA POTENZA DI TRE SECONDI PER IL TRIODIO

Tensione di esercizio del triodo permette di calcolare la corrente catodica del triodo sostituendo il triodo con un diodo equivalente. Questa sostituzione è la seguente. Se in un triodo viene posizionato un anodo al posto della griglia, avente la stessa superficie occupata dalla griglia, allora in questo diodo, ad una parte della sua tensione anodica, la corrente anodica è uguale alla corrente catodica nel triodo. La tensione applicata all'anodo di un diodo equivalente e che crea una corrente anodica in esso uguale alla corrente catodica di un diodo reale è chiamata tensione effettiva id. La sua azione è equivalente all'azione combinata delle tensioni di rete e di anodo. Cioè, la tensione operativa dovrebbe creare la stessa intensità di campo vicino al catodo del diodo equivalente come viene creata vicino al catodo del triodo.

L'entità della tensione effettiva è determinata approssimativamente dalla formula Ud ~ Uc + Dia = Uc + Ua /?.

La tensione di griglia agisce con il suo campo senza indebolirsi, e il campo creato dalla tensione anodica nello spazio "griglia - catodo" viene indebolito a causa dell'azione schermante della griglia. L'indebolimento dell'azione anodica è caratterizzato dalla permeabilità D o dal fattore di amplificazione ?. Pertanto il valore di Uа non può essere sommato a Uс, ma bisogna prima moltiplicarlo per D o dividerlo per ? (? e D sono reciproci solo quando ic = 0).

La formula approssimativa per Ud è approssimativa, poiché non tiene conto che il campo vicino al catodo può essere disomogeneo. Questa formula viene utilizzata nei casi in cui la mesh non è troppo sparsa (per D<0,1 o ?>10).

La carica effettiva qd dovrebbe essere uguale alla somma della carica q1 creata sul catodo dall'azione del campo della griglia e della carica q2 creata dal campo che penetra nella griglia dall'anodo. Esprimiamo queste cariche in termini di tensioni e capacità: q1= Csk, Uc e q2 = Cac Ua. La carica q2 sul catodo è uguale a quella piccola parte della carica anodica totale, da cui le linee di forza elettriche passano attraverso la griglia al catodo. Sostituendo qD con la somma q1 + q2, otteniamo: ud = (q1 + q2) / Cs.c. \uXNUMXd (CC.c. uc + Ca.c. ua) / Cc.c. = uс + uаСа.к. / Sess. Indichiamo D= Sa.k. / Sess. Quindi otteniamo finalmente: ud = uc + DUa,

In un diodo equivalente, la corrente anodica è uguale alla corrente catodica del triodo e la tensione effettiva svolge il ruolo della tensione anodica. Pertanto, la legge del grado di tre secondi per un triodo può essere scritta come segue: ik = dd3/2= g(è + Duà)3/2.

Considerando che nel diodo equivalente l'anodo si trova al posto della griglia di un vero triodo, il coefficiente g per un triodo ad elettrodi piatti è pari a: g = 2,33 10-6(Qа/d2s.k.).

La superficie dell'anodo del diodo equivalente in questo caso è uguale alla superficie dell'anodo reale.

La legge della potenza di tre secondi per i triodi è molto approssimativa. L'imprecisione nel determinare la tensione effettiva è essenziale. Tuttavia, la legge della potenza dei tre secondi è utile nel considerare la teoria del funzionamento del triodo e nel progetto delle lampade.

30. CORRENTE DI GRIGLIA IN UN TRIODO

A causa delle velocità iniziali degli elettroni emessi dal catodo, della differenza di potenziale di contatto e della termoEMF che agiscono nel circuito di griglia, la caratteristica della corrente di griglia inizia nella regione di tensioni di rete negative. Sebbene la corrente di griglia in questa regione sia molto piccola e per le lampade di ricezione-amplificazione sia piccole frazioni di milliampere, in molti casi deve essere presa in considerazione. Le caratteristiche della corrente di rete che iniziano nella regione delle tensioni di rete positive sono meno comuni. Si ottengono quando la differenza di potenziale di contatto crea una tensione negativa sulla griglia e agisce più forte della velocità iniziale degli elettroni.

Nelle lampade che funzionano a tensioni positive significative sulla rete, come i generatori, con un aumento della tensione di rete positiva, la corrente di rete prima aumenta e raggiunge un massimo, che a volte si trova nella regione di valori di corrente negativi. Con un ulteriore aumento della tensione di rete, la corrente aumenta nuovamente.

Questo fenomeno è spiegato dall'emissione secondaria della rete. Sotto l'impatto degli elettroni primari a una tensione di rete positiva, gli elettroni secondari vengono eliminati. All'aumentare della tensione di rete, il coefficiente di emissione secondaria aumenta e il flusso di elettroni primari che bombardano la griglia aumenta. Di conseguenza, il numero di elettroni secondari aumenta. Il loro flusso è diretto all'anodo, che ha un potenziale positivo più elevato.

Nel circuito della griglia compare una corrente di elettroni secondari, che ha una direzione opposta alla corrente di elettroni primari. La corrente di griglia risultante diminuisce e può anche invertire se il fattore di emissione secondario è maggiore di 1. In questo caso, la corrente anodica aumenta, poiché la corrente degli elettroni secondari si aggiunge alla corrente degli elettroni primari che volano dal catodo.

Viene chiamato il fenomeno del verificarsi di una corrente di elettroni secondari effetto dinatrone.

Quando la tensione di rete supera la tensione anodica, il campo tra l'anodo e la griglia diventerà ritardante per gli elettroni secondari della griglia e torneranno alla griglia. Ma d'altra parte, gli elettroni secondari eliminati dall'anodo saranno accelerati da questo campo e voleranno verso la griglia, ovvero si verificherà un effetto dinatrone dal lato dell'anodo. In questo caso, la corrente della griglia aumenta ulteriormente a causa della corrente degli elettroni secondari e la corrente dell'anodo diminuisce leggermente.

Con una tensione di rete negativa, c'è pochissima corrente di rete. Si chiama corrente di griglia inversa perché la sua direzione è opposta a quella della corrente di griglia quando la tensione di griglia è positiva (gli elettroni di corrente inversa nei fili esterni del circuito di griglia si muovono verso la griglia). La corrente di griglia inversa ha diverse componenti: corrente ionica, tercoil e corrente di dispersione.

Con una diminuzione della tensione negativa della rete, la corrente anodica aumenta e la ionizzazione aumenta. Un numero maggiore di ioni si avvicina alla griglia e la corrente ionica aumenta. Con una tensione di rete positiva, la corrente dell'elettrone aumenta bruscamente e così prevale sulla corrente ionica che quest'ultima praticamente non gioca alcun ruolo. Se la griglia ha una temperatura elevata, può verificarsi una corrente di emissione termoionica (corrente termica) della griglia. Per ridurre questa corrente, le griglie sono realizzate in metallo con un'elevata funzione di lavoro e un basso fattore di emissione secondaria.

31. CARATTERISTICHE PRESTAZIONALI DEL TRIODO

Caratteristica della griglia anodica detto grafico della dipendenza della corrente anodica dalla tensione di rete a valori costanti della tensione della sorgente anodica e della resistenza di carico. Contrariamente alle caratteristiche statiche, la caratteristica di funzionamento non è soggetta alla condizione di costanza della tensione anodica, poiché cambia nel modo di funzionamento. La forma della caratteristica operativa e la sua posizione dipendono dall'entità e dalla natura della resistenza del carico anodico.

Per costruire una caratteristica operativa della griglia dell'anodo, è necessario specificare una famiglia di caratteristiche statiche della griglia dell'anodo, la tensione della sorgente dell'anodo e la resistenza di carico.

Se la tensione dell'anodo è uguale alla tensione della sorgente dell'anodo e la corrente è zero, la lampada è spenta, poiché solo in questo caso non c'è caduta di tensione attraverso la resistenza di carico.

La caratteristica della griglia anodo di lavoro ha una pendenza inferiore rispetto alle caratteristiche statiche. Maggiore è la corrente anodica, minore diventa la tensione anodica. Pertanto, la curva di prestazione passa sempre incrociando le curve statiche. La pendenza della caratteristica di funzionamento dipende dalla resistenza del carico. All'aumentare della resistenza di carico, la corrente anodica diminuisce e la curva delle prestazioni diventa più piatta. Quando la resistenza del carico è costante, la curva delle prestazioni si sposta a destra se la tensione della sorgente anodica diminuisce, oa sinistra se la tensione anodica aumenta.

Utilizzando la caratteristica di funzionamento è possibile calcolare le variazioni della corrente anodica al variare della tensione di rete. Si può anche determinare la tensione anodica, dato che ogni punto della caratteristica di funzionamento corrisponde ad una certa tensione anodica.

Per costruire una caratteristica di funzionamento dell'anodo, è necessario specificare una famiglia di caratteristiche dell'anodo statico, nonché la tensione dell'anodo e la resistenza di carico. La caratteristica di funzionamento è la linea di carico.

Utilizzando la linea di carico, è possibile determinare la corrente anodica e la tensione anodica a qualsiasi tensione di rete. La linea di carico consente di risolvere altri problemi. È possibile, ad esempio, trovare a quale tensione di rete si ottiene la corrente anodica del valore desiderato.

La caratteristica dell'anodo di lavoro rispetto alla caratteristica della griglia dell'anodo presenta alcuni vantaggi. Poiché è una linea retta, è costruita su due punti ed è più precisa. Con il suo aiuto, è più conveniente determinare la tensione anodica, poiché è tracciata lungo l'ascissa. Per i calcoli pratici, viene utilizzata più spesso la caratteristica dell'anodo di lavoro, sebbene in alcuni casi la caratteristica della griglia dell'anodo risulti essere più conveniente.

La pendenza della caratteristica in esame dipende dalla resistenza del carico. Maggiore è la resistenza del carico, più appiattita è la linea di carico. Se la resistenza di carico è zero, la linea di carico diventa una linea retta verticale.

Quando la tensione di carico è uguale all'infinito, la linea di carico coincide con l'asse delle ascisse. In questo caso, a qualsiasi tensione, la corrente anodica è zero.

In alcuni casi è necessario costruire una curva di prestazione anodo-griglia se sono disponibili solo le caratteristiche statiche dell'anodo.

32. DISPOSITIVO E FUNZIONAMENTO DEL TETRODO

Lampade a quattro elettrodi, o tetrodi, hanno una seconda griglia, chiamata schermatura, o schermo, e situata tra la griglia di controllo e l'anodo. Lo scopo della griglia di schermatura è aumentare il guadagno e la resistenza interna e ridurre la capacità di trasmissione.

Se la griglia di schermatura è collegata al catodo, protegge il catodo e la griglia di controllo dall'azione dell'anodo. La rete di schermatura intercetta la maggior parte del campo elettrico dell'anodo. Si può dire che solo una piccola frazione delle linee di forza elettriche che emergono dall'anodo penetrano nella rete schermante. L'indebolimento del campo anodico della griglia schermante è preso in considerazione dal valore della permeabilità di questa griglia.

Il campo elettrico che penetra attraverso la griglia schermante viene poi intercettato dalla griglia di controllo, attraverso la quale penetra anche una piccola parte delle linee di campo. L'indebolimento del campo anodico da parte della griglia di controllo dipende dalla sua permeabilità. Attraverso entrambe le griglie dall'anodo alla barriera di potenziale vicino al catodo, penetra una parte insignificante del numero totale di linee di campo, che è caratterizzata dal prodotto delle permeabilità della griglia. Questa permeabilità risultante di entrambe le griglie è chiamata permeabilità del tetrodo.

La permeabilità del tetrodo caratterizza il rapporto tra gli effetti dell'anodo e della griglia di controllo sulla corrente catodica. Mostra quale proporzione dell'effetto della tensione della griglia di controllo sulla corrente del catodo è l'effetto della tensione dell'anodo.

Con l'aiuto di due griglie non molto dense, si ottengono un guadagno elevato e un'elevata resistenza interna. In questo caso, se viene applicata una tensione positiva significativa alla griglia di schermatura, le caratteristiche della griglia anodo del tetrodo sono "a sinistra", ovvero il tetrodo può funzionare normalmente nella regione delle tensioni di griglia negative.

La corrente catodica nel tetrodo è la somma delle correnti dell'anodo, della schermatura e delle griglie di controllo.

La griglia di schermatura è alimentata con una tensione positiva costante, pari al 20-50% della tensione anodica. Viene creato nella sezione "catodo - griglia schermante - campo accelerante", abbassa la barriera di potenziale al catodo. Ciò è necessario per il movimento degli elettroni verso l'anodo.

L'anodo attraverso due griglie ha un effetto molto debole sulla barriera potenziale vicino al catodo. Se la tensione della griglia di schermatura è zero, il campo di decelerazione creato dalla tensione negativa della griglia di controllo è molto più forte del debole campo di accelerazione che penetra dall'anodo. Il campo risultante nella sezione "griglia di controllo - catodo" risulta essere ritardante. In altre parole, la tensione operativa in questo caso è negativa e la barriera di potenziale sul catodo è così alta che gli elettroni non riescono a superarla. Pertanto la lampada è bloccata e la corrente anodica è zero.

La capacità tra gli elettrodi della lampada diminuisce all'incirca tante volte quanto aumenta il guadagno. Più spessa è la rete schermante, minore è la sua permeabilità, più diminuisce la capacità di flusso. Se la griglia di schermatura fosse solida, la capacità passante diminuirebbe a zero, ma la griglia smetterebbe di trasmettere elettroni all'anodo.

33. EFFETTO DYNATRONE IN TETRODO

Uno svantaggio significativo del tetrodo è effetto dinatron dell'anodo. Gli elettroni che colpiscono l'anodo espellono gli elettroni secondari. L'emissione secondaria dall'anodo esiste in tutte le lampade, ma nei diodi e nei triodi non provoca conseguenze e rimane impercettibile. In queste lampade, gli elettroni secondari che sono usciti dall'anodo ritornano tutti ad esso, poiché l'anodo ha il potenziale positivo più alto rispetto ai potenziali di altri elettrodi. Pertanto, non sorge alcuna corrente di elettroni secondari.

In un tetrodo, l'emissione secondaria dall'anodo non si manifesta se la tensione della griglia di schermatura è inferiore alla tensione dell'anodo. In questa condizione, gli elettroni secondari ritornano all'anodo. Se il tetrodo funziona in modalità di carico, con un aumento della corrente anodica, la caduta di tensione attraverso il carico aumenta e la tensione anodica ad alcuni intervalli di tempo può diventare inferiore alla tensione costante della griglia di schermatura. Quindi gli elettroni secondari, che volano fuori dall'anodo, non ritornano su di esso, ma vengono attratti dalla griglia di schermatura, che ha un potenziale positivo più elevato. C'è una corrente di elettroni secondari diretta opposta alla corrente di elettroni primari. La corrente anodica totale diminuisce e la corrente della griglia di schermatura aumenta. Questo fenomeno è chiamato effetto dinatron dell'anodo.

L'effetto dinatron influisce in modo significativo sulle caratteristiche dell'anodo del tetrodo. A tensione anodica zero, c'è una corrente anodica iniziale molto piccola che di solito può essere trascurata. La corrente della griglia di schermatura è la più alta. Proprio come era nel modo di ritorno nel triodo, in questo caso gli elettroni che volavano attraverso la griglia di schermatura partecipano alla creazione della sua corrente insieme a quegli elettroni che vengono intercettati da questa griglia. Cambiando la tensione dell'anodo cambia il'altezza di questa barriera, a causa della quale la distribuzione del flusso di elettroni tra l'anodo e la griglia di schermatura cambia bruscamente.

Si possono notare quattro aree nelle caratteristiche dell'anodo del tetrodo. La prima regione corrisponde a basse tensioni anodiche, fino a circa 10–20 V. Non vi è ancora alcuna emissione secondaria dall'anodo, poiché la velocità degli elettroni primari è insufficiente per eliminare gli elettroni secondari. Con un aumento della tensione anodica, si osserva un forte aumento della corrente anodica e una diminuzione della corrente della griglia di schermatura, tipica della modalità di ritorno.

La tensione anodica ha scarso effetto sulla corrente catodica, poiché il campo anodico agisce sulla barriera di potenziale al catodo attraverso due griglie. Pertanto, la corrente catodica cambia poco e la sua caratteristica va con un leggero aumento.

Se la tensione dell'anodo supera 10–20 V, viene visualizzata l'emissione secondaria e si verifica un effetto dinatrone. Con un aumento della tensione anodica, l'emissione secondaria dell'anodo aumenta, la corrente anodica diminuisce e la corrente della griglia di schermatura aumenta. La corrente anodica minima si ottiene con l'effetto dynatron più pronunciato. In un tale regime, la corrente di elettroni secondari è la più grande. Questa corrente dipende dall'entità dell'emissione secondaria e dalla tensione dell'anodo della griglia di schermatura, che crea un campo accelerato per gli elettroni secondari.

Quando la tensione dell'anodo diventa superiore alla tensione della griglia dello schermo, si verifica un leggero aumento della corrente dell'anodo e una leggera diminuzione della corrente della griglia dello schermo. L'emissione secondaria dall'anodo esiste in questa regione, ma gli elettroni secondari ritornano tutti all'anodo, cioè non vi è alcun effetto dinatrone dall'anodo. D'altra parte, gli elettroni secondari eliminati dalla griglia di schermatura colpiscono l'anodo, a causa del quale la corrente anodica aumenta leggermente e la corrente della griglia di schermatura diminuisce.

Per evitare che si verifichi l'effetto dinatron, la tensione della griglia di schermatura deve essere sempre inferiore alla tensione dell'anodo.

34. DISPOSITIVO E FUNZIONAMENTO DEL PENTOD

Il principale inconveniente del tetrodo - l'effetto dinatrone - ha portato allo sviluppo e all'uso diffuso di lampade a cinque elettrodi chiamate pentodi. In essi, tutte le proprietà positive dei tetrodi sono ancora più pronunciate e, allo stesso tempo, viene eliminato l'effetto dinatrone.

Nel pentodo, per eliminare l'effetto dinatron, c'è un'altra griglia situata tra l'anodo e la griglia di schermatura. Si chiama griglia protettiva, poiché protegge la lampada dal verificarsi dell'effetto dinatron. Ci sono anche altri nomi per questa griglia: antidynatron, antidynatron, pentode, terzo.

La griglia protettiva è solitamente collegata al catodo, cioè ha un potenziale zero rispetto al catodo e negativo rispetto all'anodo. In alcuni casi, alla griglia di protezione viene applicata una piccola tensione CC. Ad esempio, per aumentare la potenza utile, i pentodi del generatore funzionano a tensione positiva sulla griglia di protezione e per modulare le oscillazioni variando la tensione della griglia di protezione, su di essa viene impostata una polarizzazione negativa. Tuttavia, anche in questi casi, il potenziale della griglia protettiva di solito rimane molto più basso del potenziale dell'anodo e l'effetto antidinatrone di questa griglia è approssimativamente lo stesso del suo potenziale zero.

In molti pentodi, la griglia protettiva è collegata al catodo all'interno della lampada, quindi la tensione su questa griglia è sempre zero. Se è presente un'uscita della griglia di protezione, la sua connessione con il catodo viene eseguita nell'installazione del circuito.

Il ruolo della griglia protettiva è che si crea un campo elettrico tra essa e l'anodo, che rallenta, si ferma e restituisce all'anodo gli elettroni secondari eliminati dall'anodo. Non possono penetrare nella griglia di schermatura, anche se la sua tensione è superiore a quella dell'anodo, e l'effetto dinatron viene completamente eliminato.

Nella zona tra la schermatura e le griglie di protezione per gli elettroni che volano dal catodo si crea un campo decelerante e può sembrare che ciò provochi una diminuzione della corrente anodica. Tuttavia, gli elettroni, avendo ricevuto un'alta velocità sotto l'azione del campo accelerato della griglia di schermatura e volando attraverso di essa, raggiungono la griglia protettiva e non perdono completamente la loro velocità, poiché nello spazio tra le spire di questa griglia il potenziale non è zero, ma positivo.

Sui conduttori della griglia protettiva esiste potenziale zero e negli intervalli tra loro il potenziale è superiore a zero, ma inferiore a quello dell'anodo. Nello spazio tra l'anodo e la griglia schermante si crea una barriera di potenziale secondaria, che non può essere superata dagli elettroni secondari espulsi dall'anodo. Questa barriera influenza in modo significativo il processo di distribuzione della corrente nel pentodo.

I pentodi differiscono dai tetrodi per un guadagno maggiore, raggiungendo diverse migliaia per alcuni pentodi. Ciò è dovuto al fatto che la griglia protettiva funge da griglia schermante aggiuntiva. Pertanto, nel pentodo, l'azione dell'anodo è ancora più debole che nel tetrodo rispetto all'azione della griglia di controllo. Di conseguenza aumenta anche la resistenza interna, che per alcuni pentodi raggiunge milioni di ohm. La capacità passante diventa ancora più piccola di quella dei tetrodi. La pendenza dei pentodi è dello stesso ordine di quella dei triodi e dei tetrodi, cioè entro 1-50 mA/V.

Il pentodo può essere ridotto ad un diodo equivalente analogamente a quanto fatto per il tetrodo. La permeabilità del pentodo è un valore molto piccolo. Pertanto, il guadagno del pentodo può essere molto elevato.

35. PARAMETRI DI TETRODI E PENTODI

Parametri statici di tetrodi e pentodi sono determinati in modo simile ai parametri del triodo. Per la determinazione pratica dei parametri si prende il rapporto degli incrementi finiti.

La griglia di controllo nei tetrodi e nei pentodi si trova rispetto al catodo allo stesso modo dei triodi. Pertanto, la pendenza di tetrodi e pentodi è dello stesso ordine di quella dei triodi, cioè e. è unità o decine di milliampere per volt, sebbene si ottenga una certa diminuzione della pendenza a causa del fatto che la corrente anodica è sempre inferiore alla corrente del catodo.

A causa del fatto che l'azione della tensione anodica nel tetrodo o pentodo è indebolita molte volte, la resistenza interna è decine e centinaia di volte maggiore di quella del tetrodo e raggiunge centinaia di kilo-ohm.

La resistenza interna dipende fortemente dal processo di distribuzione della corrente, poiché quando la tensione anodica cambia, la corrente anodica cambia a causa di questo processo. Possiamo supporre che la resistenza interna del pentodo sia costituita da due resistenze collegate in parallelo. Uno di questi è determinato dall'azione del campo anodico attraverso le tre griglie sulla barriera di potenziale al catodo, a causa della quale c'è una variazione molto piccola nella corrente anodica. Più spessa è la griglia, maggiore è questa resistenza. La seconda resistenza è determinata dalla variazione della corrente anodica dovuta al processo di distribuzione della corrente ed è solitamente molto inferiore alla prima resistenza.

Il fattore di amplificazione può essere decine e centinaia di migliaia di volte maggiore di quello dei triodi, ovvero il suo valore raggiunge centinaia e migliaia.

Nei tetrodi e nei pentodi, la corrente catodica è sempre maggiore della corrente anodica, poiché la corrente della griglia di schermatura esiste sempre insieme alla corrente anodica.

A causa delle significative caratteristiche non lineari del tetrodo e del pentodo, i parametri cambiano piuttosto fortemente quando cambia la modalità. Con un aumento della tensione negativa della griglia di controllo, cioè con una diminuzione della corrente anodica, la pendenza diminuisce e la resistenza interna e il guadagno aumentano. Una caratteristica di tetrodi e pentodi rispetto ai triodi è la forte dipendenza del guadagno dal modo.

Se le caratteristiche sono intrecciate nella modalità di ritorno, la pendenza e il guadagno possono avere valori uguali a zero e inferiori a zero.

Con un aumento della tensione negativa della griglia di controllo, le caratteristiche dell'anodo nell'area di lavoro diventano più piatte e più vicine tra loro, il che corrisponde ad un aumento della resistenza interna e una diminuzione della pendenza.

In alcuni circuiti, viene utilizzato un tetrodo o pentodo in modo che la sua parte triodo, costituita da un catodo, una griglia di controllo e una griglia dello schermo, operi in uno stadio e l'intera lampada faccia parte di un altro stadio.

La pendenza e il guadagno della griglia di schermatura di solito non interessano, poiché la griglia di schermatura, di norma, non viene utilizzata come griglia di controllo e la tensione su di essa è costante.

Oltre ai parametri considerati, ve ne sono altri simili a quelli indicati per il triodo. Nel calcolare le modalità di funzionamento e l'applicazione pratica di tetrodi e pentodi, è necessario tenere conto dei valori limite di correnti, tensioni e potenze, in particolare è importante la potenza limitante rilasciata sulla griglia schermante.

36. DISPOSITIVO E FUNZIONAMENTO DEL TRAVE TETRODO

Successivamente furono sviluppati e proliferati pentodi tetrodi a fascio. In essi, l'effetto dinatrone viene eliminato creando una barriera di potenziale insormontabile per gli elettroni secondari eliminati dall'anodo, situata tra la griglia di schermatura e l'anodo.

Il tetrodo a fascio rispetto al tetrodo convenzionale ha le seguenti caratteristiche di progettazione. La distanza tra la griglia di schermatura e l'anodo è stata aumentata. La griglia di controllo e di schermatura ha lo stesso numero di giri e i loro giri si trovano esattamente l'uno di fronte all'altro.

Nello spazio tra le griglie si concentrano i flussi di elettroni. A causa di ciò, gli elettroni volano dal catodo all'anodo in fasci più densi - "fasci". Per evitare che gli elettroni volino verso i supporti della griglia, ci sono schermi speciali o piastre formatrici collegate al catodo. Inoltre, le parti della superficie del catodo opposte ai portagriglia non sono rivestite da uno strato di ossido e quindi non danno luogo ad emissione.

In un tetrodo a fascio si ottengono flussi di elettroni più densi rispetto a un tetrodo convenzionale. Un aumento della densità di corrente dà un aumento della densità di carica volumetrica. Ciò, a sua volta, provoca una diminuzione del potenziale nello spazio tra l'anodo e la griglia schermante. Se la tensione anodica è inferiore a quella della griglia schermante, in un tetrodo convenzionale si osserva un effetto dinatron, ma non si verificherà in un tetrodo a fascio, poiché nella "griglia schermante - anodo" si forma una potenziale barriera per gli elettroni secondari " spacco.

Gli elettroni secondari, che hanno velocità iniziali relativamente basse, non possono superare la barriera di potenziale e raggiungere la griglia di schermatura, sebbene la tensione su quest'ultima sia superiore a quella sull'anodo. Gli elettrodi primari, avendo elevate velocità ottenute grazie alla tensione della griglia schermante, superano la barriera di potenziale e cadono sull'anodo.

Nei tetrodi convenzionali, la griglia di schermatura "rompe" i flussi di elettroni e intercetta molti elettroni. I titolari della griglia hanno lo stesso effetto. Pertanto, nei tetrodi ordinari non si ottengono flussi di elettroni sufficientemente densi e non si crea la necessaria barriera di potenziale per gli elettroni secondari.

La formazione di una potenziale barriera è facilitata da una maggiore distanza tra la griglia di schermatura e l'anodo. Maggiore è questa distanza, più elettroni ostacolati con basse velocità si trovano qui. Sono questi elettroni che aumentano il volume della carica negativa e la diminuzione del potenziale diventa più significativa.

Il vantaggio dei tetrodi a raggio rispetto ai tetrodi convenzionali è anche una corrente della griglia di schermatura notevolmente inferiore. È inutile e la sua riduzione è altamente desiderabile. Nei tetrodi a fascio, gli elettroni volano attraverso gli spazi vuoti della griglia di schermatura e quasi non vengono intercettati da essa. Pertanto, la corrente della griglia di schermatura non supera il 5-7% della corrente anodica.

Le caratteristiche della griglia anodica dei tetrodi a fascio sono le stesse dei tetrodi o pentodi convenzionali.

In potenti stadi di amplificazione a bassa e alta frequenza, i tetrodi a fascio sostituiscono con successo i pentodi. Per ottenere prestazioni migliorate, vengono prodotti pentodi beam. Le loro griglie sono simili a quelle di un tetrodo a fascio e gli elettroni volano verso l'anodo in fasci attraverso gli spazi vuoti nella griglia protettiva. Pertanto, per i pentodi a fascio, la corrente della griglia di schermatura è molto inferiore rispetto ai pentodi convenzionali.

37. PRINCIPIO DI CONVERSIONE DI FREQUENZA

La conversione di frequenza è qualsiasi cambiamento di frequenza. Ad esempio, quando si rettifica una corrente alternata con una frequenza, si trasforma in una corrente continua, in cui la frequenza è zero. Nei generatori, l'energia in corrente continua avente una frequenza pari a zero viene convertita in energia in corrente alternata della frequenza desiderata.

La tensione ausiliaria è ottenuta da un generatore di bassa potenza chiamato eterodina. All'uscita del convertitore si ottiene un'oscillazione con una nuova frequenza convertita, che prende il nome di frequenza intermedia.

Come convertitore di frequenza deve essere utilizzato un dispositivo non lineare o parametrico.

Se il convertitore di frequenza fosse un dispositivo lineare, aggiungerebbe semplicemente due oscillazioni. Ad esempio, l'aggiunta di due oscillazioni con frequenze vicine, ma non multiple, risulterebbe in battiti, cioè un'oscillazione complessa in cui la frequenza cambierebbe entro certi limiti attorno al valore medio e l'ampiezza cambierebbe con una frequenza uguale alla frequenza differenza. Tali battiti non contengono un'oscillazione componente con una nuova frequenza. Ma se i battiti vengono rilevati (rettificati), a causa della non linearità di questo processo, appare un componente con una frequenza intermedia.

All'uscita del convertitore di frequenza si ottiene un'oscillazione complessa, che ha componenti di molte frequenze.

Tutte le nuove frequenze, che sono combinazioni di frequenze e le loro armoniche, sono chiamate frequenze di combinazione. Selezionando una frequenza ausiliaria adeguata, è possibile ottenere una nuova frequenza.!

Tra le nuove frequenze ci sono le armoniche delle oscillazioni originali con frequenze diverse volte superiori a quelle originali. Ma possono essere ottenuti più facilmente con una distorsione non lineare di una delle tensioni di ingresso. La presenza di due tensioni per il verificarsi delle armoniche non è necessaria.

Di norma, le ampiezze delle oscillazioni combinate (e delle armoniche) sono minori, maggiori sono i valori di frequenza. Pertanto, nella maggior parte dei casi, l'oscillazione della frequenza differenziale, e talvolta la frequenza totale, viene utilizzata come oscillazione di una nuova frequenza intermedia. Le frequenze di combinazione di ordine superiore sono usate raramente.

La conversione di frequenza nei ricevitori radio nella maggior parte dei casi viene eseguita in modo tale che quando si ricevono segnali da diverse stazioni radio che operano a frequenze diverse, si creano oscillazioni della stessa frequenza intermedia. Ciò consente di ottenere un elevato guadagno e un'elevata selettività, che rimangono pressoché costanti su tutta la gamma di frequenze dei segnali ricevuti. Inoltre, a una frequenza intermedia costante, si ottiene un funzionamento più stabile degli stadi di amplificazione e sono molto più semplici nella progettazione rispetto agli stadi progettati per una gamma di frequenze.

Nei ricevitori radio e nei dispositivi di misurazione radio, la frequenza differenziale viene spesso utilizzata come frequenza intermedia e la frequenza ausiliaria è generalmente superiore alla frequenza del segnale convertita. Questa relazione tra le frequenze è necessaria se la frequenza intermedia deve essere superiore alla frequenza del segnale.

38. LAMPADE PER CONVERSIONE DI FREQUENZA

Per la conversione di frequenza vengono utilizzati vari dispositivi non lineari o parametrici. Ad esempio, nei ricevitori per onde decimali e centimetriche, i diodi a vuoto oa semiconduttore funzionano nei convertitori di frequenza. I triodi vengono utilizzati per convertire le frequenze nelle gamme delle onde del metro e del decimetro.

trasformazione viene effettuato come segue. Viene applicata una tensione alla lampada con le frequenze del segnale e la frequenza ausiliaria. Quindi la corrente anodica della lampada pulsa contemporaneamente a queste frequenze. A causa del fatto che la lampada è un dispositivo non lineare o parametrico, i componenti con frequenze combinate appaiono nella sua corrente anodica. Un circuito oscillatorio anodico è sintonizzato su uno di essi, solitamente quello differenziale. Ha un'elevata resistenza solo per la corrente a frequenza di risonanza e produce una tensione amplificata solo con una frequenza intermedia. Pertanto, il circuito evidenzia le oscillazioni della frequenza intermedia.

Nei circuiti del convertitore di frequenza, è necessario eliminare il collegamento tra i circuiti del segnale in ingresso e i circuiti dell'oscillatore locale, se possibile. Solitamente in entrambi sono presenti circuiti oscillatori. Se c'è una connessione tra di loro, c'è un'influenza di un circuito sull'altro, una violazione della loro corretta sintonizzazione, un deterioramento della stabilità della frequenza dell'oscillatore locale e, in assenza di un amplificatore ad alta frequenza, una radiazione spuria di le oscillazioni dell'oscillatore locale e, in assenza di un amplificatore ad alta frequenza, la radiazione parassita dell'oscillatore locale oscilla attraverso l'antenna del ricevitore.

Quando si utilizza un triodo, il segnale e le tensioni LO vengono applicate al circuito di griglia e ciò si traduce in un accoppiamento significativo tra il segnale e i circuiti LO. Viene chiamato un metodo simile di conversione di frequenza griglia unica.

L'indebolimento dell'accoppiamento tra il segnale e i circuiti dell'oscillatore locale è ottenuto mediante conversione di frequenza a doppia griglia, che può essere eseguita utilizzando un pentodo se utilizzato come tubo a doppia pilotaggio. In questo caso, la somma delle oscillazioni del segnale e dell'oscillatore locale avviene nel flusso di elettroni all'interno della lampada poiché le oscillazioni sono applicate a griglie diverse. La tensione del segnale viene fornita alla rete di controllo e la tensione dell'oscillatore locale viene applicata alla griglia protettiva, che viene utilizzata come seconda rete di controllo. Se la tensione di questa rete rimane ben al di sotto della tensione anodica minima, funziona comunque come rete protettiva. La griglia di schermatura elimina quasi completamente l'accoppiamento capacitivo parassita tra il segnale e i circuiti dell'oscillatore locale.

A volte viene chiamata la lampada in cui viene eseguita la conversione di frequenza mescolando, poiché in essa si aggiungono due vibrazioni di diversa frequenza, e si chiama la cascata in cui opera questa lampada miscelatore. Pertanto, la conversione di frequenza consiste in un mixer e un oscillatore locale, ognuno dei quali deve avere la propria lampada.

Le lampade multielettrodo a doppio controllo per la conversione di frequenza - eptodi - hanno due griglie di controllo e funzionano contemporaneamente in un mixer e un oscillatore locale, cioè sostituiscono due lampade, sono utilizzate nei ricevitori a onde medie e corte, ma funzionano male sul VHF.

L'eptodo ha cinque griglie. Il vantaggio degli eptodi è la presenza di una griglia protettiva, grazie alla quale aumenta la resistenza interna della lampada.

Quando gli eptodi operano a lunghezze d'onda inferiori a 20 m, la stabilità della frequenza dell'oscillatore locale risulta insufficiente ed è necessario utilizzare un oscillatore locale con una lampada separata, ovvero utilizzare l'eptodo solo come miscelazione e non come conversione lampada. Su queste onde, pentodi e triodi danno i migliori risultati nei convertitori di frequenza.

39. CARATTERISTICHE E PARAMETRI DELLE LAMPADE A DOPPIO COMANDO

tutto lampade multigriglia a doppio comando hanno una griglia schermante e sono simili a pentodi o tetrodi, ai quali vengono aggiunte più griglie, formando una parte triodo (eterodina). In termini di caratteristiche e parametri, queste lampade sono simili a pentodi e tetrodi e in termini di caratteristiche e parametri della parte triodo sono simili ai normali triodi. Inoltre, le lampade a doppio controllo hanno caratteristiche e parametri aggiuntivi grazie alla presenza di due griglie di controllo.

La corrente anodica aumenta con una variazione positiva delle tensioni di entrambe le griglie. La pendenza lungo la prima griglia è tanto maggiore quanto maggiore è la tensione di rete. Se la tensione cambia in direzione positiva, la barriera di potenziale sul catodo diminuisce e un numero crescente di elettrodi supera questa barriera. Di conseguenza, la corrente del catodo, la corrente dell'anodo e la corrente della griglia di schermatura aumentano.

Quando la tensione cambia, cambia la distribuzione di corrente tra l'anodo e la griglia, simile a quella osservata nel pentodo quando cambia la tensione della sua griglia di protezione.

Il doppio controllo della corrente anodica si riduce al fatto che una variazione della tensione di una griglia di controllo modifica la pendenza della caratteristica dell'altra griglia di controllo. A causa della variazione della pendenza, il parametro principale che caratterizza l'azione di controllo della rete, sotto l'influenza della tensione di un'altra griglia di controllo, la lampada è un dispositivo parametrico adatto alla conversione di frequenza.

Il processo di conversione di frequenza in una lampada a doppio controllo può essere spiegato utilizzando la famiglia di caratteristiche degli eptodi. Poiché il circuito oscillatorio dell'anodo è sintonizzato su una frequenza intermedia e ha una bassa resistenza al segnale e alle frequenze dell'oscillatore locale, la lampada funziona praticamente in modalità a vuoto per le oscillazioni di queste frequenze e le variazioni della corrente anodica sono determinate dalle caratteristiche statiche.

Il parametro più importante che caratterizza le lampade a conversione di frequenza è la pendenza di conversione. Rappresenta il rapporto tra l'ampiezza della prima armonica della componente variabile della frequenza intermedia, ottenuta nella corrente anodica, e l'ampiezza della tensione del segnale. In questo caso le tensioni sulle griglie di schermatura e protezione e sull'anodo sono costanti.

La pendenza della conversione aumenta con l'aumentare dell'ampiezza della tensione dell'oscillatore locale.

Molte valvole di conversione di frequenza hanno caratteristiche estese per il controllo automatico del guadagno dello stadio di conversione. Ma poi, quando si ricevono segnali forti, cioè quando il punto operativo viene spostato nelle sezioni non lineari inferiori della caratteristica, le ampiezze delle oscillazioni combinate aumentano bruscamente, il che può causare interferenze nel ricevitore.

Nelle apparecchiature moderne vengono utilizzate lampade combinate, con due e talvolta tre o quattro sistemi separati di elettrodi in un cilindro. L'uso di tali lampade riduce le dimensioni dell'apparecchiatura e semplifica l'installazione. Nelle rappresentazioni schematiche di lampade combinate, per semplicità, vengono spesso mostrati solo un riscaldatore e un catodo. In molte lampade, in particolare quelle progettate per le alte frequenze, sono installati schermi per eliminare l'accoppiamento capacitivo parassitario tra i singoli sistemi di elettrodi.

Il design degli elettrodi delle lampade combinate è diverso. Spesso ci sono sistemi di elettrodi separati con uno schermo. In alcune lampade viene realizzato un catodo comune e i flussi di elettroni provenienti da diverse parti della sua superficie vengono utilizzati ciascuno nel proprio sistema di elettrodi. È possibile installare sistemi di elettrodi con schermi di separazione lungo il catodo comune.

40. TIPI SPECIALI DI LAMPADE RICEVENTI E AMPLIFICATORI

Crescita della pendenza si ottiene riducendo la distanza “griglia-catodo” a diverse decine di micron. Ma la produzione di lampade con una piccola distanza "griglia - catodo" è difficile e non sufficientemente affidabile, poiché esiste il pericolo di chiudere la griglia con una superficie irregolare del catodo di ossido. Un altro metodo per aumentare la pendenza consiste nell'utilizzare una griglia catodica situata tra la griglia di controllo e il catodo e avente un potenziale positivo. Gli elettroni emessi dal catodo vengono accelerati dalla griglia catodica, volano nei suoi spazi vuoti e creano una regione di maggiore densità di carica spaziale e una seconda barriera potenziale a una distanza molto piccola dalla griglia di controllo. La tensione della griglia di controllo influisce molto fortemente sulla sua altezza. Di conseguenza, la griglia di controllo può controllare il flusso di elettroni in modo molto efficace.

Un aumento significativo della pendenza si ottiene nelle lampade con emissione secondaria. La ricerca sull'uso dell'emissione secondaria nelle lampade è stata condotta per molto tempo, ma per molto tempo non è stato possibile progettare lampade che funzionassero stabilmente e non creassero troppo rumore intrinseco. La ragione di questi rumori è la non uniformità del processo di emissione secondaria. Sono state trovate nuove leghe di metalli pesanti con quelli leggeri, come il rame con il berillio, che danno un'emissione secondaria elevata e stabile. Quando si utilizzano, il rumore è ridotto, sebbene sia comunque maggiore rispetto alle lampade convenzionali.

Le lampade con emissione secondaria hanno un elettrodo aggiuntivo: un catodo di emissione secondaria (dinodo). Ad esso viene applicato un potenziale positivo, inferiore a quello dell'anodo. Gli elettroni primari che volano dal catodo colpiscono il catodo di emissione secondario e mettono fuori combattimento gli elettroni secondari da esso, che volano verso l'anodo, che ha un potenziale positivo più elevato. Il flusso di elettroni secondari è parecchie volte maggiore del flusso di elettroni secondari. Ecco perché la pendenza della lampada è alta.

La corrente del catodo di emissione secondario è leggermente inferiore alla corrente anodica e nella parte esterna del circuito ha una direzione opposta alla corrente anodica. La pendenza della lampada in termini di corrente del catodo di emissione secondario è solitamente leggermente inferiore alla pendenza in termini di corrente anodica. Gli elettroni della corrente anodica si muovono lungo il conduttore della parte esterna del circuito anodico dall'anodo e gli elettroni della corrente del catodo di emissione secondaria nel circuito esterno si muovono verso questo catodo, poiché all'interno della lampada escono più elettroni secondari rispetto a quelli primari.

Quando alla rete viene applicata una tensione alternata, a causa delle direzioni opposte delle correnti dell'anodo e del catodo di emissione secondario, le resistenze di carico incluse nei circuiti di questi elettrodi ricevono tensioni alternate amplificate che sono in antifase.

Il normale stadio di amplificazione inverte la fase della tensione. E nel circuito del catodo di emissione secondario si ottiene una tensione amplificata, che coincide in fase con la tensione alternata della rete. Questa proprietà rende molto facile implementare un feedback positivo tra i circuiti del catodo di emissione secondario e la griglia di controllo per generare oscillazioni di varie forme, aumentare il guadagno, ridurre la larghezza di banda delle oscillazioni trasmesse e per altri scopi.

Vengono prodotti triodi e tetrodi metallo-ceramici subminiaturizzati riceventi-amplificatori, chiamati nuvistori. Sono progettati per amplificare, generare e convertire la frequenza. Hanno un cilindro in miniatura di ceramica-metallo.

41. TIPI DI SCARICHE ELETTRICHE NEI GAS

Distinguere tra scariche indipendenti e non autosufficienti in un gas. autoscarica supportato solo dalla tensione elettrica. Non autoscarica può esistere a condizione che, oltre alla tensione elettrica, vi siano altri fattori ionizzanti esterni. Possono essere raggi luminosi, radiazioni radioattive, emissione termoionica di un elettrodo riscaldato, ecc. Consideriamo i principali tipi di scariche elettriche incontrate nei dispositivi ionici.

Lo scarico scuro (o silenzioso) non è autosufficiente. È caratterizzato da densità di corrente dell'ordine dei microampere per centimetro quadrato e da una densità di carica volumetrica molto bassa. Il campo creato dalla tensione applicata praticamente non cambia durante una scarica oscura a causa delle cariche spaziali, ovvero la loro influenza può essere trascurata. Non c'è bagliore di gas. Nei dispositivi ionici per radioelettronica non viene utilizzata una scarica oscura, ma precede l'insorgenza di altri tipi di scarica.

Scarica bagliore si riferisce a indipendente. È caratterizzato dal bagliore del gas, che ricorda il bagliore di un corpo fumante. La densità di corrente durante questa scarica raggiunge unità e decine di milliampere per centimetro quadrato e si ottengono cariche spaziali che influiscono significativamente sul campo elettrico tra gli elettrodi. La tensione richiesta per una scarica a bagliore è di decine o centinaia di volt. La scarica viene mantenuta a causa dell'emissione di elettroni del catodo sotto l'impatto degli ioni.

I principali dispositivi di scarica a bagliore sono diodi zener - stabilizzatori di tensione ionica, lampade a gas, tiratroni a scarica di bagliore, spie digitali e decatroni - contatori ionici.

Una scarica ad arco si ottiene a densità di corrente molto più elevate rispetto a una scarica a bagliore. I dispositivi di scarica ad arco non autosufficienti includono gastroni e tiratroni a catodo caldo; nelle valvole di mercurio (exitroni) e negli ignitroni aventi un catodo di mercurio liquido, così come negli scaricatori di gas, si verifica una scarica ad arco indipendente.

La scarica dell'arco può avvenire non solo a pressione atmosferica ridotta, ma anche a pressione atmosferica normale o elevata.

Una scarica di scintille è simile a una scarica ad arco. È una scarica elettrica a breve termine (impulso) a una pressione del gas relativamente alta, ad esempio a pressione atmosferica normale. Di solito, in una scintilla si osserva una serie di scariche pulsate che si susseguono una dopo l'altra.

In un gas possono verificarsi scariche ad alta frequenza sotto l'azione di un campo elettromagnetico alternato anche in assenza di elettrodi che trasportano corrente (scarica senza elettrodi).

La scarica corona è indipendente e viene utilizzata nei dispositivi ionici per la stabilizzazione della tensione. Si osserva a pressioni del gas relativamente elevate nei casi in cui almeno uno degli elettrodi ha un raggio di curvatura molto piccolo. Quindi il campo tra gli elettrodi risulta essere disomogeneo e vicino all'elettrodo appuntito, chiamato corona, l'intensità del campo aumenta notevolmente. La scarica corona si verifica a una tensione dell'ordine di centinaia o migliaia di volt ed è caratterizzata da basse correnti.

42. SCARICA INCANDESCENZA

Considera una scarica a bagliore tra elettrodi piatti. In assenza di scarica, quando non ci sono scariche volumetriche, il campo è uniforme e il potenziale tra gli elettrodi è distribuito secondo una legge lineare. In un dispositivo elettronico (a vuoto), in presenza di emissione, è presente una carica spaziale negativa che crea una potenziale barriera in prossimità del catodo. Questa barriera impedisce la generazione di una grande corrente anodica.

In un dispositivo a scarica a bagliore ionico, un gran numero di ioni positivi crea una carica spaziale positiva. Provoca un cambiamento nel potenziale nello spazio "anodo - catodo" in direzione positiva.

In un dispositivo ionico, la distribuzione del potenziale è tale che quasi tutta la tensione dell'anodo cade in un sottile strato di gas vicino al catodo. Questa zona è chiamata parte del catodo del gap di scarica. Il suo spessore non dipende dalla distanza tra gli elettrodi.

In prossimità del catodo viene creato un forte campo accelerante. L'anodo, per così dire, si avvicina al catodo. Il ruolo dell'anodo è svolto da una nuvola di ioni con una carica positiva "sospesa" sul catodo. Di conseguenza, l'effetto della carica spaziale negativa viene compensato e non c'è barriera potenziale vicino al catodo.

La seconda parte del gap di scarica è caratterizzata da una piccola caduta di tensione. L'intensità del campo al suo interno è piccola. È chiamata la regione del gas, o ione di elettroni, plasma. Una parte adiacente all'anodo e causata dalla parte anodica dello spazio di scarica, o l'area della caduta del potenziale dell'anodo, è isolata da essa. L'area tra le parti del catodo e dell'anodo è chiamata colonna di scarica. La parte dell'anodo non è importante e la colonna di scarica e la parte dell'anodo possono essere considerate come un'unica regione del plasma.

plasma è un gas altamente ionizzato, in cui il numero di elettroni e ioni è quasi lo stesso. In un plasma, il movimento casuale delle particelle prevale sul loro movimento diretto. Tuttavia, gli elettroni si muovono verso l'anodo e gli ioni verso il catodo.

Le forze di campo che agiscono su elettroni e ioni sono le stesse e solo opposte nella direzione, poiché le cariche di queste particelle sono uguali, ma di segno opposto. Ma la massa di uno ione è migliaia di volte maggiore della massa di un elettrone. Pertanto, gli ioni ricevono accelerazioni corrispondentemente più piccole e acquisiscono velocità relativamente basse. Rispetto agli elettroni, gli ioni sono quasi immobili. Pertanto, la corrente nei dispositivi ionici è praticamente il movimento degli elettroni. La frazione della corrente ionica è molto piccola e può essere ignorata. Gli ioni fanno il loro lavoro. Creano una carica spaziale positiva, che supera di gran lunga la carica spaziale negativa e distrugge la potenziale barriera vicino al catodo.

La regione della tensione catodica gioca un ruolo importante. Gli ioni che sono penetrati in questa regione dal plasma vengono accelerati qui. Colpendo il catodo ad alta velocità, gli ioni espellono gli elettroni da esso. Questo processo è necessario per mantenere lo scarico. Se la velocità degli ioni è insufficiente, l'emissione di elettroni non funzionerà e la scarica si interromperà. Gli elettroni che fuoriescono dal catodo sono anche accelerati nella regione di caduta del catodo e volano nel plasma a una velocità molto maggiore di quella necessaria per la ionizzazione degli atomi di gas. Gli elettroni entrano in collisione con gli atomi di gas in varie parti del plasma. Pertanto, la ionizzazione avviene nell'intero volume. La ricombinazione avviene anche nel plasma.

Solo una piccola parte degli ioni che si sono formati nel plasma partecipano alla creazione dell'emissione di elettroni del catodo. La maggior parte degli ioni si ricombina con gli elettroni e non raggiunge il catodo.

43. STABILIZZATORI

I dispositivi a bagliore o scarica corona lo sono diodi zener. I diodi zener a scarica bagliore più utilizzati funzionano nella normale modalità di tensione del catodo.

Poiché la scarica scura che precede la scarica a bagliore non viene utilizzata, non è di interesse, non viene mostrata sulla caratteristica volt-ampere del diodo zener. Il punto di scarico è mostrato sull'asse verticale. In pratica, questo è il caso, perché un milliamperometro per misurare la corrente di scarica del bagliore non mostrerà una corrente di scarica al buio trascurabile.

La regione di caduta del catodo normale adatta per la stabilizzazione è limitata dalle correnti minima e massima. A una corrente inferiore al minimo, la scarica potrebbe interrompersi. La corrente massima o corrisponde all'inizio della modalità di caduta anomala del catodo, oppure viene raggiunto il riscaldamento limite degli elettrodi.

Il picco di corrente quando si verifica una scarica può essere diverso a seconda della resistenza del resistore. Se è grande, appare una corrente relativamente piccola e se ne prendiamo una piccola, sorge una corrente grande. Per la stabilizzazione, ciò è svantaggioso, poiché l'area di stabilizzazione della tensione è ridotta. Con una bassa resistenza, può verificarsi un salto di corrente anche nella regione di una caduta anomala del catodo e la stabilizzazione non funzionerà affatto. Pertanto, è necessario un resistore di limitazione con resistenza sufficiente per due motivi: affinché non si verifichi un aumento eccessivo della corrente (cortocircuito) e affinché possa esistere una modalità di stabilizzazione della tensione.

Maggiore è l'area del catodo, più ampia si ottiene la regione di stabilizzazione, poiché la corrente minima rimane invariata e la corrente massima aumenta in proporzione all'area del catodo. Pertanto, i diodi zener sono caratterizzati da un catodo con un'ampia superficie. L'anodo è di piccole dimensioni, ma non dovrebbe surriscaldarsi dalla corrente massima.

I più comuni diodi zener a scarica bagliore a due elettrodi con un catodo cilindrico in nichel o acciaio. L'anodo è un filo con un diametro di 1-1,5 mm. Il pallone viene riempito con una miscela di gas inerti (neon, argon, elio) ad una pressione di decine di millimetri di mercurio.

I parametri del diodo zener sono: tensione di esercizio normale o tensione di stabilizzazione corrispondente al punto medio della regione di stabilizzazione, tensione di inizio della scarica, corrente minima e massima, variazione della tensione di stabilizzazione e resistenza interna alla corrente alternata. Utilizzando diverse miscele di gas, viene selezionato il valore desiderato della tensione di stabilizzazione.

I diodi zener a scarica corona sono caratterizzati da alte tensioni e basse correnti. In tali diodi zener, gli elettrodi cilindrici sono realizzati in nichel. Il cilindro è riempito di idrogeno e la tensione di stabilizzazione dipende dalla pressione del gas. Le correnti di esercizio sono comprese tra 3 e 100 μA. La resistenza CA interna di questi diodi zener è di centinaia di kilo-ohm. Il processo di scarica dei diodi zener a scarica corona dura 15-30 s.

I diodi Zener funzionano molto spesso in una modalità in cui la resistenza del carico è costante e la tensione della sorgente è instabile.

Per stabilizzare tensioni più elevate, i diodi zener sono collegati in serie, di solito non più di due o tre. Possono essere per tensioni diverse, ma per le stesse correnti minima e massima.

44. TRONE A GAS

Gasotron - Si tratta di diodi ionici con scarica ad arco non autosufficiente, mantenuta dall'emissione termoionica del catodo. Lo scopo dei gastrons è quello di rettificare la corrente alternata. Attualmente vengono utilizzati gastroni con un gas inerte sotto forma di argon o una miscela di xeno-kripton a una pressione dell'ordine di pochi millimetri di mercurio.

La maggior parte dei gastroni ha un catodo di ossido di riscaldamento diretto o indiretto. Nei gastroni più potenti ha una superficie significativa. L'anodo a forma di disco, semisfera o cilindro ha dimensioni relativamente ridotte. I gasotron sono caratterizzati da una bassa tensione del filamento, non superiore a 5 V. Se viene applicata una tensione maggiore, può verificarsi una scarica di arco tra le estremità del riscaldatore, che sprecherà l'energia della sorgente del filamento. Con una bassa tensione di riscaldamento, i catodi di potenti gastroni devono essere alimentati con una corrente elevata. Il vantaggio dei gastron rispetto ai kenotron risiede nella bassa caduta di tensione attraverso il gastron stesso. È di circa 15-20 V e quasi non dipende dalla corrente anodica. Pertanto, l'efficienza dei raddrizzatori gastron è superiore a quella dei raddrizzatori kenotron, ed è maggiore, maggiore è la tensione rettificata. Nei raddrizzatori ad alta tensione sui gastroni, l'efficienza può arrivare fino al 90% o più.

Prima che si verifichi la scarica, nel gastron si osserva una corrente di elettroni, che aumenta con l'aumentare della tensione allo stesso modo di un diodo a vuoto. Questa corrente è molto piccola e non ha alcun significato pratico.

Il verificarsi di una scarica ad arco si ottiene a una tensione leggermente superiore al potenziale di ionizzazione. Poiché il gastron è necessariamente acceso tramite un resistore di limitazione, dopo l'inizio di una scarica appare una caduta di tensione attraverso il resistore e la tensione sul gastron diminuisce leggermente.

Con un aumento della tensione della sorgente, la corrente nel gastron aumenta e la caduta di tensione ai suoi capi cambia leggermente, sebbene non rimanga costante, come nei diodi zener. L'uso di un gastron per la stabilizzazione è fuori questione, poiché non è redditizio ottenere una bassa tensione con un dispendio di energia significativo per riscaldare il gastron. La tensione di esercizio sul gastron è dello stesso ordine del potenziale di ionizzazione, ovvero 15-25 V.

La costanza relativa della tensione sul gastron non è dovuta al regime di tensione catodica, che è caratteristico dei dispositivi a scarica a bagliore. Nei gastroni, l'area del catodo non cambia, ma con l'aumentare della corrente diminuisce la resistenza del dispositivo alla corrente continua, poiché aumenta la ionizzazione e, di conseguenza, il numero di elettroni e ioni per unità di volume. Inoltre la carica spaziale positiva degli ioni si avvicina al catodo, il che equivale ad una diminuzione della distanza “anodo-catodo”.

In un gastron, la distribuzione del potenziale nello spazio "anodo-catodo" è approssimativamente la stessa dei dispositivi a scarica di bagliore, ma la tensione dell'anodo è inferiore e c'è una barriera di potenziale vicino al catodo, come nei tubi elettronici.

Il catodo nel gastron opera in condizioni difficili a causa del suo bombardamento con ioni positivi. Avendo una massa relativamente grande, gli ioni distruggono lo strato di ossido se la loro velocità supera il valore consentito.

45. TIRATRONI DI SCARICO DELL'ARCO

Tiratroni a catodo caldo, funzionando come gastron nella modalità di scarica dell'arco, sono utilizzati per raddrizzare la corrente alternata e come relè in automazione, telecontrollo, tecnologia a impulsi, radar e altri settori.

In molte proprietà e design, i tiratroni sono simili ai gastroni, ma la griglia consente di controllare l'entità della tensione di inizio della scarica.

La griglia nei tiratroni deve essere tale che la scarica passi solo attraverso di essa e non in modo indiretto. Pertanto, la griglia stessa o in combinazione con uno schermo termico copre il catodo da quasi tutti i lati. La parte di lavoro della griglia è realizzata con diversi fori e il resto è uno schermo. In alcuni tiratroni a bassa potenza, il design dell'elettrodo è quasi lo stesso di quello dei tubi a vuoto.

Il catodo e l'anodo nel tiratrone funzionano allo stesso modo del gastron. Le caratteristiche del funzionamento e la regola di funzionamento dei gastroni si applicano pienamente ai tiratron.

Il ruolo della griglia nel tiratron è quello di mantenere il tiratron nello stato bloccato con la tensione anodica positiva utilizzando la tensione di griglia negativa. E con una diminuzione di questa tensione o un aumento della tensione anodica, si verifica una scarica, cioè il tiratron viene sbloccato. Maggiore è la tensione negativa della griglia, maggiore è la tensione anodica e avviene la scarica. Ciò si spiega con il fatto che con una tensione di rete negativa si crea una barriera ad alto potenziale per gli elettroni emessi dal catodo nella fessura "rete - catodo". Gli elettroni non saranno in grado di superare questa barriera e volare verso l'anodo. Riducendo il potenziale negativo della rete o aumentando la tensione anodica si abbassa la barriera di potenziale. Quando gli elettroni iniziano a superarlo, si muovono verso l'anodo, acquisiscono la velocità necessaria per la ionizzazione, il processo di ionizzazione cresce come una valanga e si verifica una scarica ad arco.

La relazione tra la tensione anodica del verificarsi della scarica e la tensione di rete mostra la caratteristica di avviamento o la caratteristica di accensione. Viene rimosso utilizzando lo stesso circuito dello studio di un triodo a vuoto, ma con un resistore di limitazione nel circuito dell'anodo. È più facile toglierlo. Per ogni punto, la tensione anodica viene prima impostata su zero e una certa tensione di rete negativa. Quindi la tensione anodica viene aumentata e il suo valore viene annotato quando si verifica una scarica. Successivamente, la tensione dell'anodo viene ridotta a zero, il punto successivo viene rimosso, ecc.

La caratteristica di partenza mostra che con un aumento della tensione negativa della rete, aumenta la tensione anodica, necessaria affinché avvenga la scarica.

Le caratteristiche di avviamento durante il funzionamento del tiratron con tensione alternata sono leggermente diverse dalle caratteristiche di avviamento statiche prese a corrente continua. Ciò è dovuto al fatto che a una tensione alternata influisce la corrente di rete di pre-scarica (pre-avvio). Sorge dal fatto che durante il semiciclo negativo, quando il tiratrone è bloccato, la ricombinazione non avviene istantaneamente e ci sono elettroni e ioni tra gli elettrodi. Ciò fa sì che si verifichi la corrente anodica inversa. Allo stesso tempo, gli ioni positivi vengono attratti dalla griglia caricata negativamente, formando una corrente di pre-scarica nel suo circuito. Anche l'emissione termoionica della griglia può avere un ruolo nella formazione della corrente di prescarica. Maggiore è la corrente anodica e maggiore è la frequenza, maggiore è la corrente di prescarica. La presenza di tale corrente facilita l'accensione del tiratrone.

46. ​​TUBO A RAGGI CATONIICI

I dispositivi a raggi catodici includono tubi a raggi catodici per oscillografia, ricezione di immagini televisive e dispositivi indicatori radar, per la trasmissione di immagini televisive, tubi di memoria per computer elettronici, interruttori a fascio catodico e altri dispositivi. Tutti questi dispositivi creano un sottile fascio di elettroni (fascio) controllato da un campo elettrico o magnetico, o entrambi i campi.

I tubi possono essere con focalizzazione del fascio elettronico mediante campo elettrico o magnetico e con deflessione elettrica o magnetica del fascio. A seconda del colore dell'immagine sullo schermo luminescente, ci sono tubi con un bagliore verde, arancione o giallo-arancione - per l'osservazione visiva, blu - per fotografare oscillogrammi, bianco o tricolore - per ricevere immagini televisive.

Tubi catodici a controllo elettrostatico, cioè con focalizzazione e deflessione del fascio da parte di un campo elettrico, chiamati in breve tubi elettrostatici, particolarmente ampiamente utilizzato negli oscilloscopi.

Il tubo del palloncino ha una forma cilindrica con un'estensione a forma di cono e talvolta a forma di cilindro. Sulla superficie interna della base della parte espansa viene applicato uno schermo luminescente, uno strato di sostanze in grado di brillare sotto l'impatto degli elettroni. All'interno del tubo sono presenti elettrodi con terminali ai perni della base.

Il catodo è solitamente un ossido riscaldato indirettamente sotto forma di un cilindro con un riscaldatore. Il terminale del catodo è talvolta combinato con un terminale del riscaldatore. Lo strato di ossido si deposita sul fondo del catodo. Intorno al catodo c'è un elettrodo di controllo, chiamato modulatore, di forma cilindrica con un foro nella parte inferiore. Questo catodo serve a controllare la densità del fascio di elettroni ea pre-focalizzarlo.

Al modulatore viene applicata una tensione negativa. All'aumentare di questa tensione, sempre più elettroni ritornano al catodo. Ad una certa tensione negativa del modulatore, il tubo è bloccato.

I seguenti elettrodi, anche cilindrici, sono anodi. Nel caso più semplice, ce ne sono solo due. Sul secondo anodo, la tensione va da 500 V a diversi kilovolt e sul primo anodo la tensione è molte volte inferiore. All'interno degli anodi ci sono solitamente partizioni con fori (diaframmi).

Sotto l'azione del campo accelerato degli anodi, gli elettroni acquisiscono una velocità significativa. La focalizzazione finale del flusso di elettroni viene effettuata utilizzando un campo elettrico non uniforme nello spazio tra gli anodi, nonché grazie ai diaframmi. I sistemi di messa a fuoco più complessi sono costituiti da più cilindri.

Un sistema costituito da catodo, modulatore e anodi è chiamato proiettore elettronico (cannone elettronico) e serve a creare un fascio di elettroni, cioè un sottile flusso di elettroni che volano ad alta velocità dal secondo anodo allo schermo luminescente.

La deviazione del fascio di elettroni e della macchia luminosa sullo schermo è proporzionale alla tensione sulle piastre deflettrici. Viene chiamato il coefficiente di proporzionalità in questa dipendenza sensibilità del tubo

47. CARATTERISTICHE DEL FUNZIONAMENTO DELLA LAMPADA A FREQUENZE ULTRA ELEVATE

Lampade per onde medie e corte funzionano insoddisfacente sul microonde, che si spiega con i seguenti motivi.

Influenza delle capacità interelettrodiche e delle induttanze del piombo. Le capacità e le induttanze influiscono notevolmente sul funzionamento delle lampade nella gamma delle microonde. Modificano i parametri dei sistemi oscillatori collegati alla lampada. Di conseguenza, la frequenza naturale dei sistemi oscillatori diminuisce e diventa impossibile sintonizzarli su una frequenza superiore a un certo limite.

Ciascuna lampada è caratterizzata da una certa frequenza limite, che corrisponde alla frequenza di risonanza del circuito oscillatorio risultante da un cortocircuito dei conduttori degli elettrodi della lampada.

Le induttanze di piombo e le capacità degli interelettrodi, quando incluse in alcuni circuiti della lampada, creano feedback positivi o negativi indesiderati e sfasamenti che degradano il funzionamento del circuito. L'induttanza del terminale catodico è particolarmente influenzata. Entra contemporaneamente nei circuiti dell'anodo e della griglia e crea un feedback significativo, a seguito del quale cambia la modalità operativa e diminuisce l'impedenza di ingresso della lampada, su cui viene caricata la sorgente di tensione alternata amplificata. Le capacità degli interelettrodi aiutano anche a ridurre la resistenza di ingresso della lampada. Inoltre, queste capacità, avendo una resistenza molto ridotta alle frequenze delle microonde, possono causare la comparsa di correnti capacitive significative in lampade più potenti, riscaldando i cavi dagli elettrodi e creando ulteriori perdite di energia.

Influenza dell'inerzia elettronica. A causa del fatto che gli elettroni hanno massa, non possono cambiare istantaneamente la loro velocità e volare istantaneamente la distanza tra gli elettrodi. La lampada cessa di essere un dispositivo non a inerzia oa bassa inerzia. Nel microonde si manifesta l'inerzia degli elettroni. L'inerzia dei processi elettronici nella lampada crea sfasamenti dannosi, distorce la forma degli impulsi di corrente anodica e provoca correnti di rete significative. Il risultato è una forte diminuzione della resistenza di ingresso della lampada, un aumento delle perdite di energia nella lampada e una diminuzione della potenza utile.

Quando si considera il funzionamento delle lampade, per semplicità, si considera che la corrente nel circuito di un elettrodo si forma a causa del flusso di elettroni che volano all'interno della lampada su questo elettrodo. Questo flusso di elettroni è chiamato corrente di convezione. La corrente nel circuito esterno di qualsiasi elettrodo della lampada è una corrente indotta (induttiva).

Nei tubi elettronici, il ruolo di una carica induttiva in movimento è svolto dal flusso di elettroni che volano da un elettrodo all'altro, cioè la corrente di convezione. Le correnti di convezione all'interno della lampada eccitano sempre le correnti indotte nei fili esterni collegati agli elettrodi della lampada. La corrente indotta aumenta con l'aumento del numero e della velocità degli elettroni volanti, nonché con una diminuzione della distanza tra loro e questo elettrodo.

Con l'aiuto della corrente indotta, si può capire meglio la conversione di energia che si verifica quando gli elettroni si muovono in un campo elettrico. Il flusso di elettroni che volano all'interno della lampada crea una corrente indotta nel circuito della batteria, la cui direzione coincide con la direzione della corrente di convezione. Nel caso di un campo in accelerazione, la corrente indotta che passa attraverso la batteria sarà la corrente di scarica per essa. La batteria è scarica, cioè consuma la sua energia, che viene trasferita agli elettroni volanti con l'aiuto di un campo elettrico e aumenta la loro energia cinetica. In un campo in decelerazione, gli elettroni si muovono a causa delle loro energie iniziali. In questo caso, la corrente indotta, invece, sarà la corrente di carica per la batteria, cioè gli elettroni nel campo ritardante cedono la loro energia, che viene accumulata nella batteria.

48. RESISTENZA IN INGRESSO E PERDITA DI POTENZA NELLE LAMPADE

Lo stadio di amplificazione è caratterizzato da un guadagno di potenza K, che mostra quante volte la potenza viene amplificata: K \uXNUMXd Pout / Pin, dove Pout è la potenza utile in uscita dalla lampada e Pin è la potenza fornita all'ingresso della lampada.

Con un piccolo valore della resistenza di ingresso, la potenza può aumentare così tanto che il coefficiente diventa uguale a uno o anche meno. Ovviamente, è inappropriato utilizzare amplificatori che forniscono un'amplificazione di potenza inferiore a 2-3 volte. Con il passaggio alle microonde, l'impedenza di ingresso delle lampade convenzionali diminuisce drasticamente e il guadagno di potenza è piccolo o addirittura assente. La diminuzione della resistenza di ingresso delle lampade a microonde è spiegata dal verificarsi di correnti indotte nel circuito di rete.

A seconda del rapporto tra il tempo di volo e il periodo di oscillazione, il rapporto tra le distanze delle sezioni "catodo - griglia" e "griglia - anodo", l'entità delle tensioni sugli elettrodi, i processi nel triodo possono si verificano in modo diverso, ma comunque, a causa della manifestazione dell'inerzia degli elettroni sulle microonde, grandi correnti indotte nel circuito della griglia, portano ad una forte diminuzione della resistenza di ingresso.

La conseguenza più spiacevole dell'inerzia dei processi elettronici è la comparsa di un componente attivo della corrente di rete. Fa sì che la lampada abbia una resistenza attiva in ingresso, che diminuisce all'aumentare della frequenza e riduce il guadagno di potenza. La resistenza di ingresso attiva della lampada caratterizza la perdita di energia della sorgente di oscillazione inclusa nel circuito di griglia. In questo caso, questa energia viene trasferita dal componente attivo della corrente indotta dalla sorgente di oscillazione al campo elettrico e trasferita agli elettroni, che aumentano la loro energia cinetica e la spendono per riscaldare l'anodo. Se 1 la lampada funziona a frequenze più basse e il tempo di volo può essere trascurato, quindi alla tensione di rete le correnti avranno la stessa forma rettangolare e durata della tensione e non verranno spostate nel tempo l'una rispetto all'altra. Poiché queste correnti sono uguali e opposte in direzione, la corrente totale di rete è zero. Di conseguenza, in questo caso non vi è alcun consumo di energia dalla sorgente di oscillazione.

Con una tensione alternata sinusoidale, tutti i processi sono più complicati, ma al microonde si verificherà necessariamente una corrente indotta attiva nel circuito di griglia, la cui creazione consuma l'energia della sorgente di oscillazione. Questa energia viene infine persa per il riscaldamento aggiuntivo dell'anodo e del catodo dalla corrente di convezione. In effetti, la semionda positiva della tensione di griglia, accelerando gli elettroni che volano dal catodo, fornisce loro energia aggiuntiva e, durante il semiciclo negativo della griglia, respinge gli elettroni che si muovono verso l'anodo e ricevono anche ulteriore energia. Di conseguenza, gli elettroni bombardano l'anodo con una forza maggiore, che viene ulteriormente riscaldata. Inoltre, gli elettroni che non hanno volato attraverso la griglia, ma sono tornati al catodo, sono anche respinti dalla griglia durante il semiciclo negativo e ricevono più energia aggiuntiva. Questi elettroni bombardano il catodo aggiuntivo e lo fanno riscaldare ulteriormente. Pertanto, durante l'intero periodo, la sorgente di oscillazione fornisce energia agli elettroni, che la spendono per bombardare l'anodo e il catodo.

Le perdite di energia nelle lampade a microonde si verificano non solo a causa dell'inerzia degli elettroni, ma anche per una serie di altri motivi.

A causa dell'effetto superficiale, la resistenza attiva degli elettrodi e dei loro conduttori aumenta. Correnti significative passano lungo la superficie dei conduttori metallici, creando un riscaldamento inutile.

Nel microonde, le perdite aumentano in tutti i dielettrici solidi che sono sotto l'influenza di un campo elettrico alternato.

49. VOLO KLYSTER

Per onde centimetriche, applicato con successo klystron, il cui lavoro si basa sulla modifica della velocità del flusso di elettroni.

In questi dispositivi, un tempo di volo degli elettroni significativo non è dannoso, ma necessario per il normale funzionamento del dispositivo. I Klystron lo sono spanning (birisonatore e multirisonatore) adatto a generare e amplificare oscillazioni, e riflessivo (single-resonator), funzionando solo come generatori.

Il flusso di elettroni dal catodo all'anodo passa attraverso due coppie di griglie, che sono parti delle pareti di due risonatori a cavità. Il primo risonatore funge da circuito di ingresso. Le oscillazioni amplificate con frequenza gli vengono fornite con l'aiuto di una linea coassiale e una bobina di comunicazione. Le sue griglie formano un modulatore in cui viene modulata la velocità dell'elettrone.

Il secondo risonatore funge da circuito di uscita per amplificare le oscillazioni. La loro energia viene prelevata con l'aiuto di una bobina di comunicazione e di una linea coassiale. Una tensione positiva viene applicata sia ai risonatori che all'anodo, che crea un campo accelerato tra la griglia e il catodo, sotto l'influenza del quale gli elettroni volano nel modulatore con una velocità iniziale significativa.

Se le oscillazioni vengono introdotte nel primo risonatore, allora esiste un campo elettrico alternato tra le griglie, che agisce sul flusso di elettroni e cambia (modula) la sua velocità. In quel semiciclo, quando c'è un potenziale positivo sulla seconda griglia e un potenziale negativo sulla prima griglia, il campo tra le griglie accelererà e gli elettroni che passano attraverso il modulatore riceveranno una velocità aggiuntiva.

Gli elettroni ad alta velocità raggiungono gli elettroni che si muovono a velocità più basse, a seguito dei quali il flusso di elettroni viene diviso in gruppi di elettroni separati e più densi: gruppi di elettroni. Cioè, a causa della modulazione del flusso di elettroni in termini di velocità nello spazio di raggruppamento, si ottiene la modulazione di questo flusso in termini di densità.

Vengono raggruppati solo gli elettroni che volano attraverso il modulatore durante un semiperiodo. Un buon raggruppamento è possibile solo se la variazione della velocità degli elettroni sotto l'influenza del campo alternato modulante è insignificante rispetto alla velocità che hanno ricevuto dalla tensione di accelerazione costante. Pertanto, la tensione CA tra le griglie del risonatore deve essere molto inferiore alla tensione CC. Il raggruppamento di elettroni in un gruppo viene ripetuto durante un semiperiodo.

Dopo il punto di massima concentrazione del flusso di elettroni, gli elettroni divergono nuovamente.

I grappoli di elettroni volano attraverso il secondo risonatore quando il campo elettrico al suo interno è ritardante. Gli elettroni che sono passati attraverso il secondo risonatore colpiscono l'anodo e lo riscaldano. Alcuni degli elettroni colpiscono anche le griglie del risonatore.

Se il flusso di elettroni non fosse modulato, non potrebbe mantenere le oscillazioni nel secondo risonatore.

I klystron a due risonatori vengono utilizzati come amplificatori nei trasmettitori a microonde e la loro potenza utile in modalità di funzionamento continuo può arrivare fino a decine di kilowatt e in modalità pulsata - fino a decine di megawatt. Quando la lunghezza d'onda si accorcia, la potenza dei trasmettitori diminuisce.

Per amplificare i segnali deboli nei ricevitori, i klystron sono di scarsa utilità, poiché creano grandi rumori intrinseci.

50. LAMPADE DA VIAGGIO E AD ONDA RETROMARCIA

Svantaggi inerenti al klystron, eliminato in una lampada a onde mobili (TWT). Il guadagno e l'efficienza in un TWT possono essere molto più elevati rispetto a un klystron. Ciò è spiegato dal fatto che il flusso di elettroni nel TWT interagisce con un campo elettrico alternato su un'ampia sezione del suo percorso e rinuncia a una parte significativa della sua energia per creare oscillazioni potenziate. Il flusso di elettroni nel TWT è molto più debole che nel klystron, e quindi il livello di rumore è relativamente basso. La banda di frequenza può essere molto ampia, poiché non ci sono sistemi oscillatori nel TWT. La larghezza di banda non è limitata dalla lampada stessa, ma da vari dispositivi aggiuntivi che servono a collegare la lampada con circuiti esterni e a coordinare tra loro i singoli elementi di questi dispositivi aggiuntivi. Le lampade a onde mobili per frequenze dell'ordine di migliaia di megahertz hanno una banda di frequenza delle oscillazioni trasmesse dell'ordine di centinaia di megahertz, che è abbastanza sufficiente per i radar e tutti i tipi di moderne comunicazioni radio. LBV sono disposti in questo modo. Nella parte sinistra del cilindro allungato è posizionato un proiettore elettronico, avente un catodo riscaldato, un elettrodo di focalizzazione e un anodo. Il fascio di elettroni creato dal proiettore elettronico passa ulteriormente all'interno della spirale del filo, che svolge il ruolo di filo interno della linea coassiale. Il filo esterno di questa linea è un tubo di metallo. La spirale è fissata su speciali isolatori. Una bobina di focalizzazione alimentata da corrente continua serve a comprimere il fascio di elettroni per tutta la sua lunghezza. Invece di una bobina di focalizzazione, possono essere utilizzati anche magneti permanenti. Poiché i sistemi di focalizzazione magnetica sono molto ingombranti, sono stati sviluppati metodi elettrostatici per focalizzare un fascio di elettroni in un TWT, cioè focalizzare usando un campo elettrico.

Nel TWT per lunghezze d'onda centimetriche più corte, l'elica è sostituita da altri tipi di sistemi di moderazione, poiché è difficile produrre un'elica molto piccola. Questi sistemi di ritardo sono guide d'onda di un complesso design a zigzag o con pareti a pettine. Lungo tali guide d'onda, il fascio di elettroni viene fatto passare in linea retta e l'onda elettromagnetica si propaga a velocità ridotta. Simili sistemi a onde lente sono utilizzati anche nei TWT ad alta potenza, poiché l'elica non può resistere a un'elevata dissipazione di potenza al suo interno.

I principi di funzionamento del TWT sono serviti come base per la creazione di un tubo ad onde rovesce (BWO), che a volte viene anche chiamato carcinotrone. Questa lampada, a differenza della TWT, è concepita solo per generare onde centimetriche e più corte. Nei BWO vengono utilizzati anche sistemi a onda lenta in guida d'onda, come nei TWT, ma l'onda e il fascio di elettroni si muovono l'uno verso l'altro. Le oscillazioni deboli iniziali nel BWO si ottengono dalle fluttuazioni del fascio di elettroni, quindi vengono amplificate e si verifica la generazione. Modificando la tensione costante che crea il fascio di elettroni, è possibile effettuare la sintonizzazione elettronica del BWO in un range di frequenze molto ampio. Sono stati creati BWO a bassa potenza per frequenze di decine di migliaia di megahertz, con una potenza utile di oscillazioni generate fino a decine di frazioni di watt con un'efficienza dell'ordine di pochi punti percentuali. Per frequenze fino a 10 MHz, sono stati sviluppati BWO con una potenza utile di decine di kilowatt in funzionamento continuo e centinaia di kilowatt in funzionamento pulsato.

I BWO dei generatori di bassa e media potenza con un fascio di elettroni rettilineo sono detti carcinotroni di tipo 0. Per le alte potenze si utilizzano i BWO, detti carcinotroni di tipo M, in cui il fascio di elettroni si muove in un cerchio sotto l'influenza di un campo magnetico. Il sistema di ritardo in queste lampade si trova attorno alla circonferenza e il campo magnetico trasversale è creato da un magnete permanente allo stesso modo del magnetron.

51. CONCETTI GENERALI SULL'ELETTRICITÀ E LA TEORIA ELETTRONICA

Per molto tempo si è ritenuto che gli atomi fossero le parti primarie, indecomponibili e immutabili di tutti i corpi della natura, da cui il nome "atomo", che in greco significa "indivisibile". Alla fine del IX secolo, facendo passare una corrente elettrica ad alta tensione attraverso un tubo con un gas altamente rarefatto, i fisici notarono un bagliore verdastro nel vetro del tubo, causato dall'azione di raggi invisibili. Il punto luminoso si trovava di fronte all'elettrodo collegato al polo negativo della sorgente di corrente (catodo). Pertanto, i raggi sono chiamati catodico. Sotto l'azione di un campo magnetico, il punto luminoso si è spostato lateralmente. I raggi catodici si comportano come un conduttore percorso da corrente in un campo magnetico. Lo spostamento della macchia verdastra è avvenuto anche sotto l'influenza di un campo elettrico, e il corpo carico positivamente ha attirato i raggi, il corpo caricato negativamente li ha respinti. Ciò ha suggerito che i raggi catodici stessi siano un flusso di particelle negative: gli elettroni.

La fisica classica vede la differenza tra dielettrici e conduttori nel fatto che in un dielettrico tutti gli elettroni sono tenuti saldamente vicino al nucleo di un atomo. Nei conduttori, invece, la connessione tra gli elettroni e il nucleo dell'atomo è forte e vi sono un gran numero di elettroni liberi, il cui movimento ordinato provoca una corrente elettrica. La fisica classica consente qualsiasi valore dell'energia dell'atomo e considera che il cambiamento nell'energia dell'atomo avvenga continuamente in porzioni arbitrariamente piccole. Tuttavia, lo studio degli spettri ottici degli elementi e dei fenomeni associati all'interazione degli atomi con gli elettroni indica la natura continua dell'energia interna degli atomi. La fisica atomica e molecolare dimostrano che l'energia di un atomo non può essere alcuna e assume solo determinati valori che sono caratteristici di ciascun atomo. I possibili valori dell'energia interna di un atomo sono chiamati livelli energetici o quantistici. I livelli di energia che un atomo non può possedere sono chiamati livelli proibiti.

Esistono numerose particelle elementari: protoni e neutroni, mesoni positivi e negativi, elettroni, positroni, neutrini e antiprotoni.

I fenomeni elettrici sono noti alle persone da molto tempo (sfregamento dell'ambra con un panno). I corpi capaci di condurre cariche elettriche sono detti conduttori elettrici. I corpi che conducono molto male l'elettricità sono chiamati non conduttori, isolanti o dielettrici.

È stato osservato che i corpi elettrizzati si attraggono o si respingono l'uno dall'altro. Come risultato dell'elettrificazione di vari corpi, si ottengono due tipi di elettricità. Convenzionalmente, un tipo di elettricità veniva chiamato positivo e l'altro negativo. Di conseguenza i corpi carichi della stessa elettricità si respingono, carichi di elettricità opposta si attraggono.

L'elettricità è una proprietà della materia (una forma speciale di movimento della materia), che ha una duplice natura e si rivela nelle particelle elementari della materia (elettricità positiva - nei protoni, positroni e mesoni, negativa - negli elettroni, antiprotoni o mesoni) .

52. LEGGE DI COULOMB. CAMPO ELETTRICO

Due corpi elettrificati agiscono l'uno sull'altro con una forza proporzionale alla quantità di carica o elettricità su questi corpi e inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra i corpi, se le dimensioni proprie di questi corpi sono piccole rispetto alla distanza tra loro. Questa dipendenza della forza di interazione dall'entità delle cariche e dalla distanza tra loro è stata stabilita empiricamente da un fisico pendente. Studi successivi hanno dimostrato che la forza dell'interazione tra le cariche dipende anche dall'ambiente in cui si trovano le cariche.

Gli esperimenti hanno portato Coulomb a stabilire la seguente legge: due cariche fisiche puntiformi q1 e q2, trovandosi in un mezzo omogeneo con permeabilità elettrica relativa e ad una distanza r, agiscono l'una sull'altra con una forza F proporzionale al prodotto di queste cariche e inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra loro. le cariche puntiformi fisiche sono chiamate se le loro dimensioni sono piccole rispetto alla distanza tra loro. La formula di Coulomb ha la forma: F =(q1q2)/(4?? ?0r 2), dove ?0=8,85 10-12F/m è la permeabilità elettrica del vuoto. ? - permeabilità elettrica relativa. Mostra quante volte, a parità di altre condizioni, la forza di interazione di due cariche in qualsiasi mezzo è inferiore che nel vuoto. La permeabilità elettrica relativa è una quantità adimensionale.

L'intensità del campo elettrico è stimata dalle forze meccaniche con cui il campo agisce sui corpi carichi. Poiché, secondo la legge di Coulomb, la forza di interazione tra le cariche in un dato mezzo dipende dall'entità delle cariche e dalla distanza tra di esse, allora la forza meccanica con cui il campo in un dato momento dello spazio agisce su un'unità positiva la carica posta a questo punto viene presa come misura quantitativa del campo. Questo valore è chiamato intensità del campo elettrico ed è indicato con E. Secondo la definizione di E=F/q. Uguagliando una delle cariche nella formula di Coulomb all'unità, otteniamo un'espressione per l'intensità del campo E in un punto lontano a una distanza r dalla carica del punto fisico: E = q/(4???0r2), e per il vuoto, in cui la permeabilità elettrica relativa è uguale a uno: Е = q/(4??0r 2).

L'unità di misura della tensione è V/m.

Viene chiamato un campo elettrico la cui intensità in diversi punti dello spazio è la stessa in grandezza e direzione campo uniforme.

Quando si studiano vari fenomeni fisici, si ha a che fare con quantità scalari e vettoriali.

Una carica elettrica positiva introdotta nel campo di un corpo sferico caricato positivamente, lontano da altre cariche, sarà respinta in linea retta, che è una continuazione del raggio del corpo carico. Ponendo una carica elettrica in vari punti del campo di una palla carica e segnando le traiettorie della carica sotto l'azione delle sue forze elettriche, otteniamo una serie di rette radicali divergenti in tutte le direzioni. Queste linee immaginarie lungo le quali tende a muoversi una carica positiva, senza inerzia, introdotta in un campo elettrico, sono dette linee di forza elettriche. Un numero qualsiasi di linee di forza può essere tracciata in un campo elettrico. Con l'aiuto di linee grafiche, puoi rappresentare graficamente non solo la direzione, ma anche l'intensità del campo elettrico in un determinato punto.

La quantità di elettricità per unità di superficie di un corpo carico è chiamata densità superficiale della carica elettrica. Dipende dalla quantità di elettricità sul corpo, nonché dalla forma della superficie del conduttore.

53. CONDUTTORI E DIELETTRICI IN CAMPO ELETTRICO

Se un conduttore isolato non carico viene introdotto in un campo elettrico, a causa dell'azione delle forze del campo elettrico nel conduttore, le cariche elettriche vengono separate. Gli elettroni liberi del conduttore si sposteranno nella direzione opposta a quella del campo elettrico. Di conseguenza, all'estremità del conduttore rivolta verso la palla carica, ci sarà un eccesso di elettroni, causando una carica negativa di questa estremità, e all'altra estremità del conduttore ci sarà una mancanza di elettroni, causando una carica positiva carico di questa parte del conduttore.

La separazione delle cariche su un conduttore sotto l'influenza di un corpo carico è chiamata elettrizzazione per influenza, o induzione elettrostatica, e le cariche sul conduttore sono chiamate cariche indotte. Quando il conduttore si avvicina alla palla carica, il numero di cariche indotte sul conduttore aumenta. Il campo elettrico di una palla carica cambia non appena al suo interno si trova un conduttore. Le linee elettriche di forza della palla, che prima divergevano in modo uniforme e radicale, ora si piegano verso il conduttore. Poiché l'inizio e la fine delle linee di forza elettriche sono cariche elettriche che giacciono sulla superficie dei conduttori, iniziando dalla superficie con cariche positive, la linea di forza termina sulla superficie con cariche negative. All’interno di un conduttore non può esistere un campo elettrico. Altrimenti ci sarebbe una differenza di potenziale tra i singoli punti del conduttore, nel conduttore si verificherebbe il movimento delle cariche (corrente di conduzione) finché, a causa della ridistribuzione delle cariche, i potenziali di tutti i punti del conduttore non diventerebbero uguali .

Viene utilizzato quando si desidera proteggere il conduttore dall'influenza di campi elettrici esterni. Per fare ciò, il conduttore è circondato da un altro conduttore, realizzato sotto forma di una solida superficie metallica o di una rete metallica con piccoli fori. Le cariche indotte che si formano sul conduttore a seguito dell'influenza di un campo carico su di esso possono essere separate l'una dall'altra rompendo il conduttore a metà.

Un dielettrico differisce da un conduttore per l'assenza di elettroni liberi. Gli elettroni degli atomi dielettrici sono saldamente legati al nucleo atomico.

Un dielettrico introdotto in un campo elettrico, come un conduttore, viene elettrizzato per influenza. Tuttavia, c'è una differenza significativa tra l'elettrificazione di un conduttore e un dielettrico. Se in un conduttore, sotto l'influenza delle forze di un campo elettrico, gli elettroni liberi si muovono per l'intero volume del conduttore, in un dielettrico non può verificarsi il libero movimento delle cariche elettriche. Ma all'interno di una molecola dielettrica, una carica positiva si sposta lungo la direzione del campo elettrico e una carica negativa nella direzione opposta. Come risultato dell'influenza di un corpo carico, sulla superficie del dielettrico si formeranno cariche elettriche. Questo fenomeno è chiamato polarizzazione dielettrica. Esistono due classi di dielettrici. 1. Una molecola in uno stato neutro ha cariche positive e negative così vicine tra loro che la loro azione si compensa reciprocamente. Sotto l'influenza di un campo elettrico, le cariche positive e negative all'interno della molecola vengono leggermente spostate l'una rispetto all'altra, formando un dipolo. 2. Molecole e in assenza di campo elettrico formano dipoli. Tali dielettrici sono chiamati polari.

La necessità di una corretta scelta dell'intensità del campo elettrico nel dielettrico ha portato alla creazione della teoria della rigidità elettrica, che è importante per la moderna tecnologia dell'alta tensione.

54. PRINCIPALI MATERIALI ISOLANTI ELETTRICI

Amianto - un minerale a struttura fibrosa. La lunghezza della fibra va da dieci frazioni di millimetro a diversi centimetri. L'amianto viene utilizzato per produrre filati, nastri, tessuti, carta, cartone, ecc. Una qualità preziosa è la sua elevata resistenza al calore. Il riscaldamento fino a 300-400° non altera le proprietà dell'amianto. A causa della sua bassa conducibilità termica, l'amianto viene utilizzato come isolamento termico alle alte temperature. L'amianto ha igroscopicità, che diminuisce quando viene impregnato di resine, bitume, ecc. Le proprietà di isolamento elettrico dell'amianto sono basse. Pertanto, non è applicabile ad alte tensioni.

Colofonia - resina fragile di colore giallo chiaro o marrone, ottenuta dalla lavorazione della resina delle conifere. La colofonia si dissolve in oli di petrolio, idrocarburi liquidi, oli vegetali, alcol, trementina. Il punto di rammollimento della colofonia è 50-70 °C. Utilizzato per la preparazione di masse impregnanti e riempitive.

paraffina - una sostanza cerosa derivata dal petrolio. La paraffina ben purificata è una sostanza cristallina bianca. Viene utilizzato per l'impregnazione di legno, carta, sostanze fibrose, per il riempimento di bobine e trasformatori ad alta frequenza, per la preparazione di mescole isolanti.

Mica - un minerale di struttura cristallina. Grazie alla sua struttura, si divide facilmente in singole foglie. Ha un'elevata resistenza elettrica, elevata resistenza al calore, resistenza all'umidità, resistenza meccanica e flessibilità. Vengono utilizzati due tipi di mica: muscovite e flogopite, che differiscono per composizione, colore e proprietà. La moscovita è la mica migliore. Piastre rettangolari per condensatori, rondelle per elettrodomestici, ecc. sono stampate da foglie di mica.

Textolite - plastica, che è un tessuto multistrato impregnato con resina resolo e pressato ad alta pressione a 150 ". Qualità positive: bassa fragilità, elevate qualità meccaniche, resistenza all'abrasione. Qualità negative: scarse proprietà elettriche, bassa resistenza all'umidità, più costoso.

Fibra in carta porosa trattata con soluzione di cloruro di zinco. Ottimo per lavorazioni meccaniche. Il grande svantaggio è la sua igroscopicità. la fibra è corrosa da acidi e alcali. Da esso sono ricavate piccole parti, guarnizioni, telai delle bobine. La fibra sottile è chiamata leteroid.

Ceresin ottenuto dalla raffinazione di un minerale ceroso - ozocerite o petrolato. Ha un punto di fusione aumentato (65-80°) e una maggiore resistenza all'ossidazione. Utilizzato per l'impregnazione di condensatori di carta, preparazione di composti isolanti, ecc.

shellac - resina naturale di piante tropicali, il suo punto di fusione è 100-200°. Ha l'aspetto di squame giallastre o marroni, facilmente solubili in alcool. Viene utilizzato per la preparazione di composti di riempimento, vernici isolanti e adesive, impregnazione di nastri isolanti.

ardesia - scisto, ha una struttura a strati. Non igroscopico, facilmente lavorabile. Viene utilizzato per la fabbricazione di pannelli, protezioni per interruttori a coltello, ecc.

Ebanite (gomma dura) si ottiene dalla gomma aggiungendovi il 20-50% di zolfo. Prodotto sotto forma di lastre (tavole), stecche e tubi, si presta bene alle lavorazioni meccaniche. Viene utilizzato nella tecnica delle correnti deboli, i fili vengono trascinati in tubi di ebanite quando passano attraverso le pareti e con cavi nascosti.

55. IL CONCETTO DI CORRENTE ELETTRICA. LEGGE DI OHM

Si chiama il movimento degli elettroni attraverso un conduttore corrente elettrica. In ingegneria elettrica, è convenzionalmente accettato di considerare la direzione della corrente come opposta alla direzione del movimento degli elettroni in un conduttore. In altre parole, la direzione della corrente è considerata coincidente con la direzione del movimento delle cariche positive. Gli elettroni non percorrono l'intera lunghezza del conduttore nel loro movimento. Al contrario, percorrono distanze molto brevi prima di entrare in collisione con altri elettroni, atomi o molecole. Questa distanza è chiamata il cammino libero medio degli elettroni. L'elettricità non può essere osservata direttamente. Il passaggio della corrente può essere giudicato solo dalle azioni che produce. Segni con cui è facile giudicare la presenza di corrente:

1) la corrente, passando attraverso soluzioni di sali, alcali, acidi, nonché attraverso sali fusi, li decompone nelle loro parti costituenti;

2) si riscalda il conduttore attraverso il quale passa la corrente elettrica;

3) la corrente elettrica, passando attraverso il conduttore, crea un campo magnetico attorno ad esso.

L'impianto elettrico più semplice è costituito da una sorgente (cella galvanica, batteria, generatore, ecc.), consumatori o ricevitori di energia elettrica (lampade a incandescenza, resistenze elettriche, motori elettrici, ecc.) e fili di collegamento che collegano i morsetti della sorgente di tensione a le pinze del consumatore.

Una corrente che non cambia in grandezza o direzione è chiamata corrente continua. La corrente elettrica continua può fluire solo attraverso un circuito elettrico chiuso. Un circuito aperto ovunque provoca l'interruzione della corrente elettrica. La corrente continua è fornita da celle galvaniche, batterie, generatori CC, se le condizioni di funzionamento del circuito elettrico non cambiano.

Una carica attraversa la sezione trasversale del conduttore in un certo tempo. La forza della corrente che passa attraverso la sezione trasversale del conduttore nel tempo è: I = q / t. Il rapporto tra la corrente I e l'area della sezione trasversale del conduttore Z è chiamato densità di corrente ed è indicato con ?. ?=Io/S; la densità di corrente è misurata in A/m2.

Quando un circuito elettrico è chiuso, sui cui terminali è presente una differenza di potenziale, si genera una corrente elettrica. Gli elettroni liberi sotto l'influenza delle forze del campo elettrico si muovono lungo il conduttore. Nel loro moto, gli elettroni entrano in collisione con gli atomi del conduttore e danno loro una riserva della loro energia cinetica. La velocità di movimento degli elettroni è in continua evoluzione: quando gli elettroni entrano in collisione con atomi, molecole e altri elettroni, diminuisce, quindi aumenta sotto l'influenza di un campo elettrico e diminuisce di nuovo con una nuova collisione. Di conseguenza, nel conduttore si stabilisce un flusso uniforme di elettroni a una velocità di diverse frazioni di centimetro al secondo. Di conseguenza, gli elettroni che passano attraverso un conduttore incontrano sempre resistenza dal suo lato al loro movimento. Quando una corrente elettrica attraversa un conduttore, quest'ultimo si riscalda.

La resistenza elettrica R di un conduttore è la proprietà di un corpo o mezzo di convertire l'energia elettrica in energia termica quando una corrente elettrica lo attraversa. R = ?l / S, dove ? è la resistenza specifica del conduttore, l è la lunghezza del conduttore.

La corrente in una sezione del circuito è direttamente proporzionale alla tensione in quella sezione e inversamente proporzionale alla resistenza della stessa sezione. Questa dipendenza è nota come legge di Ohm ed è espressa dalla formula: I = U/R. La corrente scorre non solo attraverso la parte esterna del circuito, ma anche attraverso quella interna. L'EMF (E) della sorgente va a coprire le perdite di tensione interne ed esterne nel circuito. Legge di Ohm per l'intero circuito: I = E / (R + r), dove R è la resistenza della parte esterna del circuito, r è la resistenza della parte interna del circuito.

56. COLLEGAMENTO DI CONDUTTORI FRA LORO. LA PRIMA LEGGE DI KIRCHHOFF

I singoli conduttori di un circuito elettrico possono essere collegati tra loro in serie, in parallelo e misti.

connessione seriale conduttori è una tale connessione quando l'estremità del primo conduttore è collegata all'inizio del secondo, l'estremità del secondo conduttore è collegata all'inizio del terzo, ecc. La resistenza totale del circuito, costituita da più serie- conduttori collegati, è uguale alla somma delle resistenze dei singoli conduttori: R \u1d R2 + R3 + R1 +. +R||. La corrente in sezioni separate del circuito in serie è la stessa: I2 = I3= I1=I. La caduta di tensione è proporzionale alla resistenza di una determinata sezione. La tensione totale del circuito è uguale alla somma delle cadute di tensione nelle singole sezioni del circuito: u \u2d u3 + UXNUMX + UXNUMX.

Collegamento in parallelo conduttori tale resistenza viene chiamata quando gli inizi di tutti i conduttori sono collegati in un punto e le estremità dei conduttori in un altro punto. L'inizio del circuito è collegato a un polo della sorgente di tensione e l'estremità del circuito è collegata all'altro polo.

Con un collegamento in parallelo di conduttori per il passaggio della corrente, ci sono diversi modi. La corrente che scorre verso il punto di diramazione si propaga ulteriormente lungo tre resistenze ed è uguale alla somma delle correnti in uscita da questo punto: I= I1+ I2+ I3.

Se le correnti che arrivano al punto di diramazione sono considerate positive e quelle in uscita sono negative, allora per il punto di diramazione puoi scrivere: uguale a zero. Questa relazione, che mette in relazione le correnti in ogni punto di diramazione del circuito, è chiamata prima legge di Kirchhoff. Di solito, quando si calcolano i circuiti elettrici, le direzioni delle correnti nei rami collegati a qualsiasi punto di diramazione sono sconosciute. Pertanto, per poter registrare l'equazione della prima legge di Kirchhoff, è necessario scegliere arbitrariamente le cosiddette direzioni positive delle correnti in tutti i suoi rami prima di iniziare il calcolo del circuito e designarle con le frecce nel diagramma .

Usando la legge di Ohm, puoi ricavare una formula per calcolare la resistenza totale quando i consumatori sono collegati in parallelo.

La corrente totale che arriva al punto è: I = U/R. Le correnti in ciascuno dei rami sono: I1 = U1 /R1; I2= U2/R2; I3= U3/R3.

Secondo la prima legge di Kirchhoff, I = I1+I2+I3 o U/R= U/R1+U/R2+U/R3.

Prendendo U a destra dell'uguaglianza tra parentesi, otteniamo: U/R = U(1/R1 + 1 /R2+ 1/R3).

Riducendo entrambi i membri dell'equazione di U, otteniamo la formula per calcolare la conducibilità totale: 1 /R=1/R1+1/r2+ 1/R3.

Quindi, con un collegamento in parallelo, non è la resistenza che aumenta, ma la conduttività.

Quando si calcola la resistenza di ramificazione totale, risulta sempre essere inferiore alla resistenza più piccola inclusa nella ramificazione.

Se le resistenze collegate in parallelo sono uguali tra loro, la resistenza totale R è uguale alla resistenza di un ramo R1 divisa per il numero di rami n: R \u1d RXNUMX / n.

Una connessione mista di conduttori è una connessione in cui sono presenti sia connessioni seriali che parallele di singoli conduttori.

57. SECONDA LEGGE DI KIRCHHOFF. METODO DI SOVRAPPOSIZIONE

Quando si calcolano i circuiti elettrici, si incontrano spesso circuiti che formano circuiti chiusi. La composizione di tali circuiti, oltre alla resistenza, può comprendere anche forze elettromotrici. Considera una sezione di un circuito elettrico complesso. Viene data la polarità di tutti i campi elettromagnetici.

Scegliamo arbitrariamente le direzioni positive delle correnti. Percorriamo il contorno dal punto A in una direzione arbitraria, ad esempio in senso orario. Considera la sezione AB. In quest'area si verifica una caduta di potenziale (la corrente scorre da un punto con potenziale maggiore ad un punto con potenziale minore).

Nella sezione AB: ?A + E1 - I1R1=?B.

Sul sito BV: ?B - E2 - I2R2 = ?C.

Sulla sezione VG: ?B = I3R3 + E3 = ?G.

Sul sito HA: ?G - I4R4 = ?MA.

Sommando termine per termine le quattro equazioni precedenti, otteniamo:

?A + E1- I1R1 + ?B - E2 - I2R2 + ?C - I3R3 + E3 + ?G- I4R4 - ?B + ?C + ?G + ?A o E1 - I1R1 - E2 - I2R2 - I3R3 + E3 - I4R4 = 0.

Trasferendo il prodotto IR sul lato destro, otteniamo: Ё1 - Ё2 + Ё3 = I1R1 + I2R2 + I3R3 + I4R4.

Questa espressione è la seconda La legge di Kirchhoff. La formula mostra che in ogni circuito chiuso la somma algebrica delle forze elettromotrici è uguale alla somma algebrica delle cadute di tensione.

Il metodo di sovrapposizione viene utilizzato per calcolare i circuiti elettrici che hanno diversi campi elettromagnetici. L'essenza del metodo di sovrapposizione è che la corrente in qualsiasi parte del circuito può essere considerata come costituita da una serie di correnti parziali causate da ogni singolo EMF, con il resto dell'EMF considerato uguale a zero.

Nei problemi, ci sono catene che hanno solo due punti nodali. Un numero arbitrario di rami può essere incluso tra i punti nodali. Il calcolo di tali circuiti è notevolmente semplificato utilizzando il metodo della tensione nodale.

e \u1d (E1d2 + E2d3 + E3d1) / (d2 + d3 + d4 + dXNUMX).

Il numeratore della formula della tensione nodale rappresenta la somma algebrica dei prodotti dell'EMF dei rami. Al denominatore della formula è data la somma delle conducibilità di tutti i rami. Se l'EMF di qualsiasi ramo ha una direzione opposta a quella indicata nel diagramma, è inclusa nella formula per la tensione nodale con un segno meno.

Il metodo della corrente di anello viene utilizzato per calcolare circuiti elettrici complessi con più di due correnti nodali. L'essenza del metodo sta nel presupposto che ogni circuito abbia la propria corrente. Quindi, nelle aree comuni poste al confine di due circuiti adiacenti, scorrerà una corrente pari alla somma algebrica delle correnti di questi circuiti.

58. ELETTROLISI. LA PRIMA E LA SECONDA LEGGI DI FARADAY

La corrente, passando attraverso i conduttori liquidi, li decompone nelle loro parti componenti. Pertanto, vengono chiamati conduttori liquidi elettroliti. Viene chiamata la decomposizione degli elettroliti sotto l'azione di una corrente elettrica elettrolisi. L'elettrolisi viene effettuata in bagni galvanici. bagno galvanico è un recipiente in cui viene versato un liquido - un elettrolita, che è soggetto a decomposizione dalla corrente.

Due piastre (ad esempio carbonio) vengono immerse in un recipiente con elettrolita, che costituirà gli elettrodi. Colleghiamo il polo negativo della sorgente CC a un elettrodo (catodo) e il polo positivo all'altro elettrodo (anodo) e chiudiamo il circuito. Il fenomeno dell'elettrolisi sarà accompagnato dal rilascio di una sostanza sugli elettrodi. Durante l'elettrolisi, al catodo vengono sempre rilasciati idrogeno e metalli. Da ciò ne consegue che l'origine della corrente attraverso conduttori liquidi è associata al movimento degli atomi della sostanza.

Una molecola neutra di una sostanza, cadendo in un solvente, si rompe (si dissocia) in parti: ioni che trasportano cariche elettriche uguali e opposte. Ciò è spiegato dal fatto che la forza di interazione tra cariche poste in un mezzo con permeabilità elettrica e diminuisce di un fattore e. Pertanto, le forze che legano una molecola di una sostanza situata in un solvente con un'elevata permeabilità elettrica si indeboliscono e le collisioni termiche delle molecole sono sufficienti perché inizino a dividersi in ioni, ad es. e. dissociarsi.

Insieme alla dissociazione delle molecole in soluzione, si verifica il processo inverso: la riunificazione degli ioni in molecole neutre (molizzazione).

Gli acidi si dissociano in ioni idrogeno caricati positivamente e ioni caricati negativamente del residuo acido. Gli alcali si dissociano in ioni metallici e ioni residui d'acqua. I sali si dissociano in ioni metallici e ioni residui acidi.

Se agli elettrodi viene applicata una tensione costante, tra gli elettrodi si forma un campo elettrico. Gli ioni caricati positivamente si sposteranno verso il catodo, gli ioni caricati negativamente - verso l'anodo. Raggiungendo gli elettrodi, gli ioni vengono neutralizzati.

Il fenomeno dell'elettrolisi è stato studiato da Faraday dal lato quantitativo e qualitativo. Trovò che la quantità di sostanza rilasciata durante l'elettrolisi sugli elettrodi è proporzionale alla corrente e al tempo del suo passaggio, o, in altre parole, alla quantità di sostanza che è fluita attraverso l'elettrolita. Questa è la prima legge di Faraday.

La stessa corrente, passando lo stesso tempo attraverso diversi elettroliti, rilascia diverse quantità di sostanza sugli elettrodi. La quantità di una sostanza in milligrammi rilasciata all'elettrodo con una corrente di 1 A per 1 s è chiamata equivalente elettrochimico ed è indicata con b. La prima legge di Faraday è espressa dalla formula: m=a/t.

L'equivalente chimico (m) di una sostanza è il rapporto tra peso atomico (A) e valenza (n): m = A / n. La seconda legge di Faraday mostra da quali proprietà di una sostanza dipende il valore del suo equivalente elettrochimico.

L'elettrolisi ha trovato ampia applicazione nell'ingegneria. 1. Rivestimento di metalli con uno strato di un altro metallo mediante elettrolisi (galvanica). 2. Ottenere copie da oggetti usando l'elettrolisi (galvanica). 3. Raffinazione (purificazione) dei metalli.

59. BATTERIE

Per alimentare circuiti di controllo, dispositivi di protezione, segnalazione, automazione, illuminazione di emergenza, azionamenti e bobine di ritenuta di interruttori ad alta velocità, meccanismi ausiliari di centrali elettriche e sottostazioni, deve esserci una tale fonte di energia elettrica, il cui funzionamento non dipenderebbe sullo stato delle unità principali della centrale o della sottostazione. Questa fonte di energia deve garantire il funzionamento ininterrotto e preciso di questi circuiti sia durante il normale funzionamento dell'impianto che in caso di incidente. Una tale fonte di energia nelle centrali elettriche e nelle sottostazioni è batteria dell'accumulatore. Una batteria tempestivamente carica con una grande capacità può alimentare i pantografi durante tutto il tempo dell'incidente.

Le batterie vengono utilizzate anche per l'illuminazione di autovetture, vagoni ferroviari, la circolazione di auto elettriche e sottomarini, per alimentare impianti radiofonici e dispositivi vari, in laboratori e per altri scopi.

La batteria è una fonte secondaria di tensione elettrica, poiché, a differenza delle celle galvaniche, può fornire energia solo dopo una precarica. La batteria viene caricata collegandola a una fonte di tensione costante. Come risultato del processo di elettrolisi, lo stato chimico delle piastre della batteria cambia e si stabilisce una certa differenza di potenziale tra di loro.

La batteria ricaricabile è completata da una serie di accumulatori al piombo o alcalini.

Una batteria al piombo è composta da diverse piastre positive e negative immerse in un contenitore di elettrolita. L'elettrolita è una soluzione di acido solforico in acqua distillata. Le piastre della batteria sono superficiali e massicce. Le piastre di superficie sono realizzate in piombo puro. Per aumentare la superficie dei piatti, sono realizzati a coste.

Le piastre di massa sono una griglia di piombo, nelle cui celle vengono spalmati gli ossidi di piombo. Per evitare che la massa fuoriesca dalle celle, la piastra è ricoperta su entrambi i lati da fogli di piombo forati. In genere, la piastra positiva della batteria è realizzata in superficie e quella negativa è di massa. Le piastre positive separate, così come le piastre negative, sono saldate in due blocchi isolati l'uno dall'altro. Affinché le piastre positive funzionino su entrambi i lati, vengono prese una in più rispetto a quelle negative.

Esistono due tipi di batterie alcaline: cadmio-nichel e ferro-nichel.

Le piastre della batteria alcalina sono telai in acciaio nichelato con celle in cui sono collocati sacchetti di sottile acciaio perforato nichelato. La massa attiva viene pressata nei sacchetti.

Il recipiente delle batterie alcaline è una scatola saldata in acciaio, nel cui coperchio sono presenti tre fori: due per l'estrazione delle pinze e uno per il riempimento dell'elettrolita e la fuoriuscita dei gas. Vantaggi: il piombo carente non viene consumato; avere una grande resistenza e forza meccanica; con esposizione prolungata sopportano piccole perdite per autoscarica e non si deteriorano; emettono gas e fumi meno nocivi; avere meno peso. Svantaggi: EMF inferiore; minore efficienza; costo maggiore.

60. LAMPADE ELETTRICHE A INCANDESCENZA

La lampada a incandescenza è stata inventata da uno scienziato russo UN. Lodygin e fu loro mostrato per la prima volta nel 1873.

Il principio di funzionamento di una lampada a incandescenza si basa sul forte riscaldamento di un conduttore (filamento) quando una corrente elettrica lo attraversa. In questo caso il conduttore inizia ad emettere, oltre a quella termica, anche energia luminosa. Per evitare che il filamento si bruci, deve essere spostato in un pallone di vetro da cui viene espulsa l'aria. Ecco come sono disposte le cosiddette lampade cave. Inizialmente come filamento veniva utilizzato il filamento di carbonio, ottenuto calcinando le fibre vegetali. Le lampade con un tale filamento emettevano una luce debole e giallastra, consumando energia. Il filamento di carbonio, riscaldato fino a una temperatura di 1700°, si bruciò gradualmente, provocando una morte relativamente rapida della lampada. Le lampade a filamento di carbonio sono ora fuori uso.

Ora, nelle lampade a incandescenza, invece di un filamento di carbonio, viene utilizzato un filamento costituito da metalli refrattari osmio o tungsteno. Un filamento di tungsteno, riscaldato fino a 2200° in lampade cave, che emette una luce più brillante, consuma meno energia di un filamento di carbonio.

Il burnout del filamento si riduce se il bulbo di vetro (cilindro) della lampada è riempito con un gas che non supporta la combustione, come azoto o argon. Tali lampade sono chiamate a gas. La temperatura del filamento durante il funzionamento di una tale lampada raggiunge i 2800 °.

La nostra industria produce lampade per illuminazione a incandescenza per tensioni di 36, 110, 127 e 220 V. Per scopi speciali, le lampade sono realizzate anche per altre tensioni.

Le lampade a incandescenza hanno un'efficienza molto bassa. In essi solo il 4-5% circa dell'energia elettrica totale consumata dalla lampada viene convertita in energia luminosa; il resto dell'energia viene convertito in calore.

Attualmente, le lampade per l'illuminazione a gas sono ampiamente utilizzate. Sfruttano la proprietà dei gas rarefatti di brillare quando vengono attraversati da corrente elettrica. La luce emessa da una lampada a gas dipende dalla natura del gas. Il neon emette luce rosso-arancione, argon-blu-viola, elio-rosa-giallastro. Le lampade a gas sono alimentate da corrente alternata ad alta tensione ottenuta tramite trasformatori. Queste lampade hanno trovato applicazione per insegne, pubblicità e illuminazione.

La nostra industria produce anche lampade contenenti vapori di mercurio rarefatti nei loro tubi di vetro. Facendo passare la corrente attraverso di loro, i vapori possono emettere un debole bagliore.

La superficie interna del tubo della lampada è rivestita con un composto speciale: un fosforo che si illumina sotto l'azione del bagliore dei vapori di mercurio. Queste lampade sono chiamate lampade fluorescenti.

Attualmente vengono prodotti tre tipi di lampade fluorescenti: lampade fluorescenti utilizzate per illuminare luoghi in cui è necessaria la differenziazione del colore: stampa, industria del cotone, ecc.; lampade a luce bianca per l'illuminazione di locali industriali, uffici e residenziali; lampade bianco caldo per l'illuminazione di musei, teatri e gallerie d'arte. Le lampade fluorescenti sono quattro volte più efficienti delle tradizionali lampade a incandescenza.

61. SALDATURA ELETTRICA

Esistono due tipi di saldatura elettrica:

1) arco;

2) saldatura a resistenza elettrica. La saldatura ad arco elettrico è stata inventata da un ingegnere russo NN Benardo nel 1882

La saldatura ad arco utilizza il calore generato da un arco elettrico. Durante la saldatura secondo il metodo Benardos, un polo della sorgente di tensione è collegato a un'asta di carbonio e l'altro polo alle parti da saldare. Una sottile barra metallica viene introdotta nella fiamma di un arco elettrico, che si scioglie e gocce di metallo fuso, scorrendo sulle parti e solidificandosi, formano un cordone di saldatura.

Nel 1891 un ingegnere russo NG Slavianov ha proposto un altro metodo di saldatura ad arco elettrico, che è stato il più utilizzato. La saldatura elettrica secondo il metodo Slavyanov è la seguente. L'asta di carbonio è sostituita da un elettrodo di metallo. L'elettrodo stesso fonde e il metallo fuso, solidificandosi, collega le parti da saldare. Dopo aver utilizzato l'elettrodo, viene sostituito con uno nuovo.

Prima di saldare la parte, deve essere accuratamente pulita da ruggine, incrostazioni, olio, sporco con uno scalpello, una lima, una carta vetrata.

Per creare un arco stabile e ottenere una forte cucitura, gli elettrodi metallici sono rivestiti con composti speciali. Tale rivestimento fonde anche durante la fusione dell'elettrodo e, versandosi sulle superfici fortemente riscaldate delle parti da saldare, non consente loro di ossidarsi.

Saldatura a resistenza elettrica. Se metti due pezzi di metallo ravvicinati e fai passare una forte corrente elettrica attraverso di essi, a causa del rilascio di calore nel punto di contatto dei pezzi (a causa dell'elevata resistenza transitoria), questi ultimi vengono riscaldati ad alta temperatura e saldato.

Attualmente la saldatura elettrica, sia ad arco che a resistenza, è entrata stabilmente nel settore ed è diventata molto diffusa. Saldano lamiere e angolari in acciaio, travi e rotaie, alberi e tubi, tralicci e caldaie, navi, ecc. La saldatura viene utilizzata per realizzare nuove e riparare vecchie parti in acciaio, ghisa e metalli non ferrosi.

Sono stati sviluppati nuovi metodi per l'utilizzo della saldatura elettrica: saldatura elettrica subacquea; saldatura automatica; saldatura con corrente alternata (il dispositivo ha una parte speciale: un oscillatore, il cui scopo è generare corrente alternata ad alta tensione e frequenza molto elevata, che garantisce una combustione stabile dell'arco durante la saldatura di parti metalliche sottili e spesse).

Quando si chiudono e si aprono circuiti elettrici con un interruttore a coltello o interruttore, così come si chiudono e aprono i contatti di dispositivi e apparecchiature, la scintilla elettrica che si forma tra i contatti, e spesso l'arco elettrico che lo segue, fonde il metallo, e il i contatti si bruciano o si saldano, interrompendo il funzionamento dell'impianto. Questo fenomeno è chiamato erosione elettrica. La scintilla al suo aspetto, per così dire, "rosicchia" il metallo. Per combattere la scintilla, a volte è incluso un condensatore di una certa capacità tra i contatti in parallelo con lo spinterometro.

Ingegneri BR Lazarenko e I.N. Lazarenko ha utilizzato la proprietà di una scintilla elettrica per "rosicchiare il metallo" in un'installazione elettroerosiva progettata da loro. Il funzionamento dell'installazione è sostanzialmente il seguente. Un filo da una sorgente di tensione è collegato all'asta di metallo. L'altro filo è collegato al pezzo che è nell'olio. Un'asta di metallo è fatta vibrare. Una scintilla elettrica che si verifica tra l'asta e il pezzo “rode” il pezzo, praticando un foro uguale alla forma della sezione dell'asta (esagonale, quadrata, triangolare, ecc.).

62. ELETTROMAGNETISMO

Il campo magnetico è uno dei due lati del campo elettromagnetico, eccitato dalle cariche elettriche delle particelle in movimento e da una variazione del campo elettrico e caratterizzato da un effetto di forza sulle particelle cariche in movimento, e quindi sulle correnti elettriche.

La direzione delle linee di induzione magnetica cambia al variare della direzione della corrente nel conduttore. Le linee di induzione magnetica attorno a un conduttore hanno le seguenti proprietà:

1) le linee di induzione magnetica di un conduttore rettilineo hanno la forma di cerchi concentrici;

2) più sono vicine al conduttore, più dense sono le linee di induzione magnetica;

3) l'induzione magnetica (intensità del campo) dipende dall'entità della corrente nel conduttore;

4) la direzione delle linee di induzione magnetica dipende dalla direzione della corrente nel conduttore. La direzione delle linee di induzione magnetica attorno a un conduttore con corrente può essere determinata dalla "regola del succhiello". Se un succhiello (cavatappi) con una filettatura destrorsa si sposta in avanti nella direzione della corrente, la direzione di rotazione della maniglia coinciderà con la direzione delle linee di induzione magnetica attorno al conduttore.

Il campo magnetico è caratterizzato da un vettore di induzione magnetica, che ha una certa grandezza e una certa direzione nello spazio.

Una linea tangente a ciascun punto che coincide con la direzione del vettore di induzione magnetica è chiamata linea di induzione magnetica o linea di induzione magnetica.

Il prodotto dell'induzione magnetica per la dimensione dell'area perpendicolare alla direzione del campo (vettore dell'induzione magnetica) è chiamato flusso del vettore dell'induzione magnetica o semplicemente flusso magnetico ed è indicato con la lettera Ф: Ф = BS. di misura è Weber (Wb).

solenoide Viene chiamato un conduttore a spirale, attraverso il quale viene fatta passare una corrente elettrica. Per determinare i poli del solenoide si usa la "regola del succhiello", applicandola come segue: se si posiziona il succhiello lungo l'asse del solenoide e lo si ruota nel senso della corrente nei giri del solenoide, quindi il movimento di traslazione del succhiello mostrerà la direzione del campo magnetico.

Viene chiamato un solenoide con un nucleo di acciaio (ferro) all'interno elettromagnete. Il campo magnetico di un elettromagnete è più forte di quello di un solenoide perché il pezzo di acciaio incorporato nel solenoide viene magnetizzato e il campo magnetico risultante viene amplificato. I poli di un elettromagnete possono essere determinati, proprio come un solenoide, secondo la "regola del succhiello".

Il flusso magnetico di un solenoide (elettromagnete) aumenta con l'aumento del numero di giri e della corrente in esso contenuta. La forza di magnetizzazione dipende dal prodotto della corrente per il numero di giri.

È possibile aumentare il flusso magnetico del solenoide nei seguenti modi:

1) inserire un nucleo di acciaio nel solenoide, trasformandolo in un elettromagnete;

2) aumentare la sezione trasversale del nucleo in acciaio dell'elettromagnete (poiché con una data corrente, intensità del campo magnetico e, quindi, induzione magnetica, un aumento della sezione trasversale porta ad un aumento del flusso magnetico);

3) ridurre il traferro dell'elettromagnete (perché con una diminuzione del percorso delle linee magnetiche attraverso l'aria, la resistenza magnetica diminuisce).

63. INDUZIONE ELETTROMAGNETICA

Viene chiamato il fenomeno dell'EMF in un circuito quando è attraversato da un campo magnetico induzione elettromagnetica ed è stato scoperto da un fisico inglese M. Faradeem nel 1831

Un conduttore che trasporta una corrente elettrica è circondato da un campo magnetico. Se si cambia l'intensità o la direzione della corrente nel conduttore, o si apre e si chiude il circuito elettrico che fornisce corrente al conduttore, il campo magnetico che circonda il conduttore cambierà. Cambiando, il campo magnetico del conduttore attraversa lo stesso conduttore e induce un EMF in esso. Questo fenomeno è chiamato autoinduzione. La stessa fem indotta è chiamata fem di autoinduzione.

L'EMF indotto si verifica nei seguenti casi.

1. Quando un conduttore mobile attraversa un campo magnetico fisso o, al contrario, un campo magnetico mobile attraversa un conduttore fisso; o quando un conduttore e un campo magnetico, muovendosi nello spazio, si muovono rispetto all'altro.

2. Quando un campo magnetico alternato di un conduttore, agendo su un altro conduttore, induce in esso un EMF.

3. Quando il campo magnetico variabile del conduttore induce un EMF al suo interno (autoinduzione).

Per determinare l'EMF indotto nel conduttore, viene utilizzata la "regola della mano destra": se metti mentalmente la mano destra in un campo magnetico lungo il conduttore in modo che le linee magnetiche che escono dal polo nord entrino nel palmo e il pollice coincide con la direzione del movimento del conduttore, quindi quattro le dita tese mostreranno la direzione della fem indotta nel conduttore.

Il valore della fem indotta nel conduttore dipende da:

1) sull'entità dell'induzione del campo magnetico, poiché più dense sono le linee di induzione magnetica, maggiore è il numero di esse che attraverserà il conduttore per unità di tempo;

2) sulla velocità del conduttore in un campo magnetico, poiché ad un'elevata velocità di movimento il conduttore può attraversare più linee di induzione per unità di tempo;

3) dalla lunghezza di lavoro (situata in un campo magnetico) del conduttore, poiché un conduttore lungo può attraversare più linee di induzione per unità di tempo;

4) sul valore del seno dell'angolo tra la direzione di movimento del conduttore e la direzione del campo magnetico.

Nel 1834 un accademico russo E.Kh. Lenz ha dato una regola universale per determinare la direzione della fem indotta in un conduttore. Questa regola, nota come regola di Lenz, è formulata come segue: la direzione della fem indotta è sempre la stessa, che la corrente da essa provocata e il suo campo magnetico sono in una direzione tale da tendere ad interferire con la causa che la genera fem indotta

Le correnti che vengono indotte nei corpi metallici quando sono attraversati da linee magnetiche sono dette correnti parassite o correnti di Foucault.

Per ridurre le perdite di correnti parassite, le armature di generatori, motori elettrici e nuclei dei trasformatori sono assemblate da lamiere stampate sottili separate (0,35-0,5 mm) di acciaio dolce, posizionate nella direzione delle linee di flusso magnetico e isolate l'una dall'altra con vernice o carta sottile. Ciò viene fatto per ridurre l'entità del flusso magnetico che lo attraversa a causa della piccola sezione trasversale di ciascuna lamiera di acciaio e, quindi, per ridurre l'EMF e la corrente indotta in essa.

Le correnti parassite sono utili. Queste correnti vengono utilizzate per indurire prodotti in acciaio con correnti ad alta frequenza nel funzionamento di strumenti di misura elettrici a induzione, contatori e relè CA.

64. RICEVERE CORRENTE CA

Sia formato un campo magnetico uniforme tra i poli di un elettromagnete. All'interno del campo, sotto l'azione di una forza esterna, un conduttore rettilineo metallico ruota in un cerchio in senso orario. L'intersezione di conduttori di linee magnetiche porterà alla comparsa di una fem indotta nel conduttore. Il valore di questo EMF dipende dall'entità dell'induzione magnetica, dalla lunghezza attiva del conduttore, dalla velocità con cui il conduttore attraversa le linee magnetiche e dal seno dell'angolo tra la direzione di movimento del conduttore e la direzione del campo magnetico. ?= Bl?peccato?.

Scomponiamo la velocità periferica in due componenti: normale e tangenziale rispetto alla direzione dell'induzione magnetica. La componente normale della velocità determina l'EMF indotto di induzione ed è uguale a:

?n = ?sin?. La componente di velocità tangenziale non partecipa alla creazione dell'EMF indotto ed è pari a:

Durante lo spostamento, il conduttore occuperà varie posizioni. Per un giro completo del conduttore, l'EMF in esso contenuto prima aumenta da zero a un valore massimo, quindi diminuisce a zero e, cambiando la sua direzione, aumenta nuovamente fino a un valore massimo e nuovamente diminuisce a zero. Con un ulteriore movimento del conduttore, i cambiamenti nell'EMF verranno ripetuti.

Una corrente che varia in grandezza e direzione scorrerà nel circuito esterno. Questa corrente è chiamata variabili in contrasto con permanente, che danno celle galvaniche e batterie.

L'EMF variabile e la corrente alternata cambiano periodicamente la loro direzione e intensità. Il valore di una variabile (corrente, tensione ed EMF) nel momento considerato è chiamato valore istantaneo. Il più grande dei valori istantanei di una variabile è chiamato valore massimo, o ampiezza, ed è indicato con Im, Um.

Il periodo di tempo dopo il quale si ripetono i cambiamenti nella variabile è chiamato periodo T (misurato in secondi). Il numero di periodi per unità di tempo è chiamato frequenza della corrente alternata ed è indicato con v (misurato in hertz). In ingegneria vengono utilizzate correnti di varie frequenze. La frequenza industriale standard in Russia è -50 Hz.

L'EMF nel conduttore è indotto secondo la legge del seno. Questo EMF è chiamato sinusoidale.

La corrente sinusoidale alternata durante il periodo ha diversi valori istantanei. Le azioni della corrente non sono determinate né dall'ampiezza né dai valori istantanei. Per valutare l'effetto prodotto dalla corrente alternata, lo confrontiamo con l'effetto termico della corrente continua. La potenza CC che passa attraverso la resistenza sarà C = I2R.

La relazione tra i valori effettivi e di picco dell'intensità della corrente e della tensione CA ha la forma:

Im = I?2, Um = U?2.

Il valore efficace di una corrente alternata è uguale a tale corrente continua, che, passando per la stessa resistenza della corrente alternata, rilascia la stessa quantità di energia nello stesso tempo.

65. CIRCUITI AC

Considera un circuito costituito da resistenza R. Per semplicità, trascuriamo l'influenza dell'induttanza e della capacità. Ai terminali del circuito viene applicata una tensione sinusoidale u = Umsin?t. Secondo la legge di Ohm, il valore istantaneo della corrente sarà: i \uXNUMXd u / r =(Um / r)sin?t = Sono peccato?t.

La formula di potenza per un circuito CA con resistenza attiva è la stessa della formula di potenza per un circuito CC: P \u2d IXNUMXR Tutti i conduttori hanno una resistenza attiva. In un circuito a corrente alternata, i filamenti di lampade a incandescenza, spirali di resistenze elettriche e reostati, lampade ad arco e lunghi conduttori rettilinei hanno quasi una sola resistenza attiva.

Si consideri un circuito AC contenente una bobina con induttanza L senza anima in acciaio. Per semplicità, assumiamo che la resistenza attiva della bobina sia molto piccola e possa essere trascurata.

La corrente cambia con la massima velocità vicino ai suoi valori zero. In prossimità dei valori massimi, la velocità di variazione della corrente diminuisce e al valore massimo della corrente il suo aumento è pari a zero. Pertanto, la corrente alternata varia non solo in grandezza e direzione, ma anche nella velocità della sua variazione. Una corrente alternata, passando attraverso le spire della bobina, crea un campo magnetico alternato. Le linee magnetiche di questo campo, incrociando le spire della propria bobina, inducono in esse un CEM di autoinduzione. Poiché l'induttanza della bobina nel nostro caso rimane invariata, l'EMF dell'autoinduzione dipenderà solo dalla velocità di variazione della corrente. La più alta velocità di variazione della corrente si verifica vicino a zero valori di corrente. Di conseguenza, l'EMF di autoinduzione ha il valore maggiore negli stessi momenti.

Al momento iniziale, la corrente aumenta bruscamente e rapidamente da zero e quindi ha un valore massimo negativo. Poiché la corrente aumenta, l'EMF di autoinduzione, secondo la regola di Lenz, dovrebbe impedire la variazione della corrente. Pertanto, l'EMF di autoinduzione all'aumentare della corrente avrà una direzione opposta alla corrente. Il tasso di variazione della corrente diminuisce man mano che si avvicina al massimo. Pertanto, anche l'EMF di autoinduzione diminuisce, finché, infine, alla massima corrente, quando le sue variazioni sono pari a zero, diventa uguale a zero.

La corrente alternata, raggiunta un massimo, inizia a diminuire. Secondo la regola di Lenz, l'EMF di autoinduzione impedirà alla corrente di diminuire e, già diretta nella direzione del flusso di corrente, la supporterà.

Con un'ulteriore modifica, la corrente alternata diminuisce rapidamente fino a zero. Una forte diminuzione della corrente nella bobina comporterà anche una rapida diminuzione del campo magnetico e, come risultato dell'intersezione delle linee magnetiche delle spire della bobina, in esse verrà indotto il più grande EMF di autoinduzione .

Poiché l'EMF di autoinduzione nei circuiti a corrente alternata contrasta continuamente le variazioni di corrente, per consentire alla corrente di fluire attraverso le spire della bobina, la tensione di rete deve bilanciare l'EMF di autoinduzione. Cioè, la tensione della rete in ogni momento deve essere uguale e opposta all'EMF di autoinduzione.

Viene chiamato il valore XL = ?L reattanza induttiva, che è una specie di ostacolo che il circuito deve cambiare la corrente in esso.

Viene richiamato il valore XC = 1/(?C). resistenza capacitiva, che, come la reattanza induttiva, dipende dalla frequenza della corrente alternata.

66. CIRCUITO OSCILLATORIO

Considera il caso di ottenere corrente alternata scaricando un condensatore su una bobina.

Un condensatore carico ha una riserva di energia elettrica. Quando viene cortocircuitato sulla bobina, inizierà a scaricarsi e la fornitura di energia elettrica al suo interno diminuirà. La corrente di scarica del condensatore, passando attraverso le spire della bobina, crea un campo magnetico. Di conseguenza, la bobina inizierà a immagazzinare energia magnetica. Quando il condensatore è completamente scarico, la sua energia elettrica diventa zero. In questo momento, la bobina avrà una fornitura massima di energia magnetica. Ora la bobina stessa diventa un generatore di corrente elettrica e inizia a ricaricare il condensatore. L'emf di autoinduzione che si verifica nella bobina durante il periodo di crescita del campo magnetico ha impedito l'aumento della corrente. Ora, quando il campo magnetico della bobina diminuisce, l'EMF di autoinduzione tende a mantenere la corrente nella stessa direzione. Nel momento in cui l'energia magnetica della bobina diventa uguale a zero, le piastre del condensatore verranno caricate in modo opposto a come erano caricate all'inizio e se la resistenza del circuito è zero, il condensatore riceverà l'alimentazione iniziale di energia elettrica. Quindi il condensatore riceverà la fornitura iniziale di energia elettrica. Quindi il condensatore inizierà a scaricarsi di nuovo, creando una corrente inversa nel circuito e il processo verrà ripetuto.

Le trasformazioni alternate dell'energia elettrica in energia magnetica e viceversa costituiscono la base del processo delle oscillazioni elettromagnetiche. Viene chiamato un circuito costituito da capacità e induttanza in cui si verifica il processo di oscillazioni elettromagnetiche circuito oscillatorio.

Le fluttuazioni di energia periodiche che si verificano in un circuito oscillatorio potrebbero continuare indefinitamente sotto forma di oscillazioni non smorzate se non ci fossero perdite nel circuito oscillatorio stesso. Tuttavia, la presenza di una resistenza attiva porta al fatto che la riserva di energia del circuito diminuisce ad ogni periodo a causa delle perdite di calore nella resistenza attiva, per cui le oscillazioni si smorzano.

Il periodo delle oscillazioni elettromagnetiche che si verificano in un circuito oscillatorio senza resistenza è determinato dalla formula di Thomson.

Esistono due modi per modificare il tempo del periodo di oscillazione del circuito: modificando l'induttanza della bobina o la capacità del condensatore. Entrambi i metodi sono usati per questo scopo nell'ingegneria radiofonica.

Un circuito oscillatorio è un accessorio necessario per ogni radioricevitore e trasmettitore radio.

Il principio della trasmissione radio è il seguente. Le oscillazioni elettromagnetiche vengono create nell'antenna della stazione radio trasmittente con l'aiuto di generatori di tubi. L'ampiezza dell'oscillazione dipende da una serie di fattori, inclusa la quantità di corrente che scorre nel circuito del microfono, che riceve vibrazioni sonore dovute alla voce o alla musica.

Vengono chiamati i cambiamenti nelle vibrazioni ad alta frequenza con l'aiuto di vibrazioni sonore modulazione.

La comunicazione radio è stata eseguita per la prima volta da un eccezionale scienziato russo COME. Popov (1859-1905).

67. TRIFASE AC

Sistema polifase chiamato un insieme di campi elettromagnetici variabili della stessa frequenza e spostati in fase uno rispetto all'altro di qualsiasi angolo.

Ciascun EMF può operare nel proprio circuito e non essere associato ad altri EMF. Un tale sistema è chiamato non correlato.

Lo svantaggio di un sistema multifase disaccoppiato è un gran numero di fili, pari a 2 m, quindi, ad esempio, sono necessari sei fili per trasmettere potenza attraverso un sistema trifase. Un sistema polifase in cui le singole fasi sono collegate elettricamente tra loro è chiamato sistema polifase accoppiato.

La corrente polifase presenta importanti vantaggi:

1) quando si trasferisce la stessa potenza mediante corrente multifase, è necessaria una sezione trasversale dei fili inferiore rispetto a una corrente monofase;

2) con l'aiuto di bobine o avvolgimenti fissi, crea un campo magnetico rotante utilizzato nel funzionamento di motori e vari dispositivi CA.

Tra i sistemi di corrente multifase, la corrente alternata trifase ha ricevuto l'applicazione più pratica.

Risulta come segue. Se tre spire sono poste in un campo magnetico uniforme dei poli, ciascuna di esse si trova ad un angolo di 120° rispetto all'altra, e le spire vengono ruotate a velocità angolare costante, allora verrà indotto un EMF nel spire, anch'esse sfasate di 120°.

In pratica, per ottenere una corrente trifase, si realizzano tre avvolgimenti sullo statore di un alternatore, sfasati uno rispetto all'altro di 120°.

Sono chiamati avvolgimenti di fase o semplicemente fasi del generatore.

Nella pratica non viene utilizzato un sistema di corrente trifase disaccoppiato.

Gli avvolgimenti di fase dei generatori e dei consumatori di corrente trifase sono collegati secondo lo schema a stella oa triangolo.

Se gli avvolgimenti di fase del generatore o del consumatore sono collegati in modo che le estremità degli avvolgimenti siano chiuse in un punto comune e gli inizi degli avvolgimenti sono collegati a fili lineari, viene chiamata tale connessione stella. In collegamento a stella, la tensione di linea è V3 volte la tensione di fase. Con un carico irregolare, le tensioni di fase del consumatore sono di entità diversa e l'entità della tensione di fase è proporzionale alla resistenza di fase. Lo spostamento del punto zero del consumatore, che si verifica a causa di un carico irregolare, porta a un fenomeno indesiderato nelle reti di illuminazione. Maggiore è il numero e la potenza delle lampade incluse nella fase, minore sarà la loro resistenza, minore sarà la loro tensione di fase, più deboli bruceranno.

Oltre al collegamento a stella possono essere accesi generatori o utilizzatori di corrente trifase triangolo.

Con un carico delta uniforme, la corrente di linea è V3 volte la corrente di fase.

Nei motori e in altri consumatori di corrente trifase, nella maggior parte dei casi, vengono emesse tutte e sei le estremità dei tre avvolgimenti, che, se lo si desidera, possono essere collegate con una stella o un triangolo. Di solito, una scheda di materiale isolante (morsettiera) è fissata a una macchina trifase, alla quale vengono estratte tutte e sei le estremità.

La potenza di un sistema trifase può essere calcolata utilizzando la formula: P = ?3 IUcos ?.

68. TRASFORMATORI

Nel 1876 PI. Yablochkov suggerito di utilizzare un trasformatore per alimentare le candele. In futuro, il design dei trasformatori è stato sviluppato da un altro inventore russo, un meccanico SE. Usagin, che ha suggerito di utilizzare trasformatori per alimentare non solo le candele Yablochkov, ma anche altri consumatori di energia elettrica.

Un trasformatore è un dispositivo elettrico basato sul fenomeno dell'induzione reciproca e progettato per convertire la corrente alternata di una tensione in corrente alternata di una tensione diversa, ma della stessa frequenza. Il trasformatore più semplice ha un nucleo in acciaio e due avvolgimenti isolati sia dal nucleo che l'uno dall'altro.

Viene chiamato l'avvolgimento di un trasformatore collegato a una sorgente di tensione avvolgimento primario, e viene chiamato l'avvolgimento a cui sono collegati i consumatori o le linee di trasmissione che portano ai consumatori avvolgimento secondario.

Una corrente alternata, che passa attraverso l'avvolgimento primario, crea un flusso magnetico alternato, che si incastra con le spire dell'avvolgimento secondario e induce una fem in esse.

Poiché il flusso magnetico è variabile, anche l'EMF indotto nell'avvolgimento secondario del trasformatore è variabile e la sua frequenza è uguale alla frequenza della corrente nell'avvolgimento primario.

Il flusso magnetico variabile che passa attraverso il nucleo del trasformatore attraversa non solo l'avvolgimento secondario, ma anche l'avvolgimento primario del trasformatore. Pertanto, un EMF sarà anche indotto nell'avvolgimento primario.

L'entità della forza elettromagnetica indotta negli avvolgimenti del trasformatore dipende dalla frequenza della corrente alternata, dal numero di spire di ciascun avvolgimento e dall'entità del flusso magnetico nel nucleo. Ad una certa frequenza e un flusso magnetico costante, il valore della FEM di ciascun avvolgimento dipende solo dal numero di spire di questo avvolgimento. Questa relazione tra i valori EMF e il numero di spire degli avvolgimenti del trasformatore può essere espressa dalla formula:

La differenza tra EMF e tensione è così piccola che la relazione tra le tensioni e il numero di spire di entrambi gli avvolgimenti può essere espressa dalla formula: U1 / U2 = N1 / N2. La differenza tra EMF e tensione nell'avvolgimento primario del trasformatore diventa particolarmente piccola quando l'avvolgimento secondario è aperto e la corrente al suo interno è zero (inattiva) e solo una piccola corrente scorre nell'avvolgimento primario, chiamata corrente a vuoto . In questo caso, la tensione ai terminali dell'avvolgimento secondario è uguale all'EMF in esso indotto.

Il numero che mostra quante volte la tensione nell'avvolgimento primario è maggiore (o minore) della tensione nell'avvolgimento secondario è chiamato rapporto di trasformazione ed è indicato dalla lettera k. k = U1 / U2 ? N1/N2.

La tensione nominale degli avvolgimenti di alta e bassa tensione, indicata sulla targa dati del trasformatore, si riferisce al funzionamento a vuoto.

I trasformatori che servono ad aumentare la tensione sono detti step-up; il loro rapporto di trasformazione è inferiore a uno. I trasformatori step-down riducono la tensione; il loro rapporto di trasformazione è maggiore di uno.

La modalità in cui l'avvolgimento secondario del trasformatore è aperto e viene applicata una tensione alternata ai terminali dell'avvolgimento primario, è chiamata funzionamento inattivo o inattivo del trasformatore.

69. DISPOSITIVO E TIPI DI TRASFORMATORI

Il nucleo (circuito magnetico) del trasformatore forma un circuito chiuso per il flusso magnetico ed è realizzato in lamiera d'acciaio elettrico (trasformatore) con uno spessore di 0,5 e 0,35 mm. L'acciaio elettrico è l'acciaio che contiene il 4-4,8% di silicio in peso. La presenza del silicio migliora le proprietà magnetiche dell'acciaio e ne aumenta la resistività alle correnti parassite. Lamiere separate di acciaio sono rivestite con uno strato di vernice per isolarle l'una dall'altra, dopodiché vengono serrate con bulloni passati in boccole isolanti. Tale dispositivo viene utilizzato per ridurre le correnti parassite indotte nell'acciaio da un flusso magnetico alternato. Le parti del circuito magnetico su cui è posizionato l'avvolgimento sono chiamate aste. Le aste sono collegate dai gioghi superiore e inferiore.

Secondo il design del circuito magnetico, si distinguono due tipi di trasformatori: a barra e corazzati. In un trasformatore ad asta, gli avvolgimenti coprono le aste del nucleo magnetico; nei trasformatori corazzati il ​​circuito magnetico, invece, come "armatura", ricopre gli avvolgimenti. In caso di guasto nell'avvolgimento di un trasformatore corazzato, è scomodo da ispezionare e difficile da riparare. Pertanto, i più diffusi sono i trasformatori ad asta.

L'avvolgimento del trasformatore è realizzato in rame isolato tondo o rettangolare. Un cilindro isolante (solitamente cartone impregnato di vernice bachelite) viene prima posizionato sul nucleo del circuito magnetico, sul quale è posizionato un avvolgimento di bassa tensione. La posizione dell'avvolgimento di bassa tensione più vicino all'asta è spiegata dal fatto che è più facile isolarlo dall'asta di acciaio rispetto all'avvolgimento ad alta tensione.

Un altro cilindro isolante è posto sull'avvolgimento di bassa tensione sovrapposto, sul quale è posizionato l'avvolgimento di alta tensione.

Tali trasformatori sono chiamati a due avvolgimenti. Esistono trasformatori che hanno un avvolgimento primario e due secondari per fase. L'avvolgimento primario è l'avvolgimento a tensione più elevata. Gli avvolgimenti secondari, a seconda dell'entità della tensione ai loro terminali, si chiamano: uno è avvolgimento di media tensione e l'altro è avvolgimento di bassa tensione. Tali trasformatori sono chiamati tre avvolgimenti.

Per la trasformazione della corrente trifase è possibile utilizzare trasformatori monofase. Se combiniamo l'acciaio di tre nuclei in un nucleo comune, otteniamo il nucleo di un trasformatore trifase. Il costo dell'acciaio del trasformatore per un trasformatore trifase è molto inferiore rispetto all'installazione di tre trasformatori monofase.

Se la potenza richiesta per la trasformazione è maggiore della potenza di un trasformatore, in questo caso vengono accesi più trasformatori per il funzionamento in parallelo.

Per consentire il funzionamento in parallelo di trasformatori monofase, devono essere soddisfatte le seguenti condizioni.

1. Le tensioni degli avvolgimenti primari e secondari dei trasformatori collegati in parallelo devono essere uguali. In questo caso, anche i rapporti di trasformazione dei trasformatori saranno uguali.

2. Uguaglianza delle tensioni di cortocircuito.

3. Accensione dalle stesse fasi dal lato delle tensioni superiori e inferiori.

Un autotrasformatore è un trasformatore che ha un solo avvolgimento sul suo nucleo. Sia il circuito primario che quello secondario sono collegati a vari punti di questo avvolgimento. Il flusso magnetico di un autotrasformatore induce una forza elettrica nell'avvolgimento. Questa forza elettromotrice è quasi uguale alla tensione applicata.

70. MOTORI ASINCRONI

macchina asincrona viene chiamata una macchina a corrente alternata, in cui la velocità di rotazione del rotore è inferiore alla velocità di rotazione del campo magnetico dello statore e dipende dal carico. Una macchina asincrona, come altre macchine elettriche, ha la proprietà della reversibilità, ovvero può funzionare sia in modalità motore che in modalità generatore.

Il motore a induzione trifase è stato inventato dall'ingegnere russo M.O. Dolivo-Dobrovolsky nel 1890 e da allora, subendo miglioramenti, ha preso saldamente il suo posto nell'industria e si è diffuso in tutti i paesi del mondo.

Un motore a induzione ha due parti principali: statore e rotore. Lo statore è la parte fissa della macchina. Le scanalature sono realizzate all'interno dello statore, dove è posizionato un avvolgimento trifase, alimentato da una corrente alternata trifase. La parte rotante della macchina è chiamata rotore, anche l'avvolgimento è disposto nelle sue scanalature. Lo statore e il rotore sono assemblati da lamiere stampate separate di acciaio elettrico con uno spessore di 0,35 e 0,5 mm. I singoli fogli di acciaio sono isolati l'uno dall'altro con uno strato di vernice. Il traferro tra lo statore e il rotore è ridotto al minimo.

A seconda del design del rotore, i motori asincroni sono dotati di rotori a gabbia di scoiattolo e di fase.

I motori asincroni si dividono in brushless e collector. I motori brushless sono i più utilizzati. Sono utilizzati dove è richiesta una velocità di rotazione approssimativamente costante e non è richiesta la sua regolazione. I motori brushless hanno un design semplice, un funzionamento senza problemi e un'elevata efficienza.

Se si collega l'elaborazione dello statore a una rete a corrente alternata trifase, all'interno dello statore si genera un campo magnetico rotante. Le linee magnetiche del campo attraverseranno l'avvolgimento della corrente fissa del rotore e indurranno in esso un EMF. Il rotore durante la sua rotazione non può raggiungere il campo magnetico rotante dello statore. Se assumiamo che il rotore avrà la stessa velocità di rotazione del campo magnetico dello statore, le correnti nell'avvolgimento del rotore scompariranno. Con la scomparsa delle correnti nell'avvolgimento del rotore, la loro interazione con il campo dello statore si interrompe e il rotore inizierà a ruotare più lentamente rispetto al campo rotante dello statore. Tuttavia, in questo caso, l'avvolgimento del rotore comincerà nuovamente ad essere attraversato dal campo rotante dello statore e la coppia agirà nuovamente sul rotore. Di conseguenza, il rotore, durante la sua rotazione, deve essere sempre in ritardo rispetto alla velocità di rotazione del campo magnetico dello statore, ovvero ruotare in modo asincrono (non a tempo con il campo magnetico), motivo per cui questi motori sono stati denominati asincrono.

Il motore a induzione a gabbia di scoiattolo è il più comune dei motori elettrici utilizzati nell'industria. Il dispositivo di un motore asincrono è il seguente. Sulla parte stazionaria del motore, lo statore, è posizionato un avvolgimento trifase, alimentato da una corrente trifase. Gli inizi delle tre fasi di questo avvolgimento sono visualizzati su uno schermo comune, montato all'esterno della carcassa del motore. Poiché negli avvolgimenti dello statore scorre una corrente alternata, un flusso magnetico alternato passerà attraverso l'acciaio dello statore. Per ridurre le correnti parassite che si verificano nello statore, questo è realizzato con lamiere stampate separate di acciaio legato con uno spessore di 0,35 e 0,5 mm. Svantaggi: difficoltà nella regolazione della velocità di rotazione e corrente di spunto elevata. Pertanto, insieme a loro, vengono utilizzati anche motori asincroni con rotore di fase.

Il dispositivo dello statore di un tale motore e il suo avvolgimento non differiscono dal dispositivo dello statore di un motore con rotore a gabbia di scoiattolo. La differenza tra questi due motori sta nel design del rotore. Un motore elettrico con rotore di fase ha un rotore sul quale, come sullo statore, sono posizionati avvolgimenti trifase, interconnessi da una stella.

71. GENERATORI SINCRONI

Macchina sincrona viene chiamata una macchina, la cui velocità di rotazione è costante ed è determinata a una data frequenza di corrente alternata dal numero di coppie di poli p: v \u60d XNUMX ·n / p Secondo il principio di reversibilità, scoperto da E .Kh. Lenz, una macchina sincrona può funzionare sia come generatore che come motore.

Il funzionamento dei generatori sincroni si basa sul fenomeno dell'induzione elettromagnetica. Poiché è fondamentalmente indifferente se un conduttore mobile attraversa un campo magnetico fisso, o, al contrario, un campo mobile attraversa un conduttore fisso, i generatori strutturalmente sincroni possono essere realizzati in due tipi. Nel primo, i poli magnetici possono essere posizionati sullo statore e alimentare il loro avvolgimento con corrente continua, ed i conduttori possono essere posizionati sul rotore e da essi rimossi utilizzando anelli e spazzole in corrente alternata.

Spesso, quella parte della macchina che crea un campo magnetico è chiamata induttore e quella parte della macchina in cui si trova l'avvolgimento, in cui è indotto l'EMF, è chiamata armatura. Pertanto, nel primo tipo di generatore, l'induttore è fermo e l'armatura ruota.

Lo statore di un generatore sincrono, come altre macchine a corrente alternata, è costituito da un nucleo costituito da fogli di acciaio elettrico, nelle cui scanalature è posto un avvolgimento di corrente alternata, e un telaio: un involucro in ghisa o saldato in lamiera d'acciaio. L'avvolgimento dello statore è posizionato nelle scanalature stampate sulla superficie interna del nucleo. L'isolamento dell'avvolgimento viene effettuato con particolare cura, poiché normalmente la macchina deve funzionare ad alte tensioni. La micanite e il nastro di micanite vengono utilizzati come isolante.

I rotori delle macchine sincrone sono divisi in due tipi in base alla progettazione:

1) poli espliciti (cioè con poli pronunciati);

2) implicitamente polare (cioè con poli implicitamente espressi).

Il rotore a polo saliente è un acciaio forgiato. I poli sono attaccati al bordo del rotore, su cui sono poste le bobine di eccitazione, collegate in serie tra loro. Le estremità dell'avvolgimento di eccitazione sono collegate a due anelli montati sull'albero del rotore. Le spazzole sono sovrapposte agli anelli, a cui è collegata una sorgente di tensione costante. Di solito, un generatore di corrente continua, seduto sullo stesso albero con il rotore e chiamato eccitatore, fornisce una corrente continua per eccitare il rotore. La potenza dell'eccitatore è 0,25-1% della potenza nominale del generatore sincrono. Tensione nominale degli eccitatori 60-350 V.

Sono disponibili anche generatori sincroni autoeccitati. Una corrente continua per eccitare il rotore si ottiene utilizzando raddrizzatori al selenio collegati all'avvolgimento dello statore del generatore. Al primo momento, il campo magnetico residuo del rotore rotante induce una piccola EMF variabile nell'avvolgimento dello statore. I raddrizzatori al selenio collegati alla tensione alternata forniscono una corrente continua, che rafforza il campo del rotore e la tensione del generatore aumenta.

Quando si progettano macchine elettriche e trasformatori, i progettisti prestano grande attenzione alla ventilazione delle macchine. Per i generatori sincroni viene utilizzato il raffreddamento ad aria e idrogeno.

72. DISPOSITIVO GENERATORE CC

Il generatore DC è una macchina elettrica che converte l'energia meccanica del motore primario ruotandola in energia elettrica in corrente continua, che la macchina fornisce ai consumatori. Il generatore CC funziona secondo il principio induzione elettromagnetica. Pertanto, le parti principali del generatore sono un'armatura con un avvolgimento posizionato su di essa ed elettromagneti che creano un campo magnetico.

L'ancora ha la forma di un cilindro ed è reclutata da lamiere stampate separate di acciaio elettrico con uno spessore di 0,5 mm. I fogli sono isolati l'uno dall'altro da uno strato di vernice o carta sottile. Le depressioni, stampate attorno alla circonferenza di ciascun foglio, formano scanalature durante il montaggio dell'indotto e la compressione dei fogli, dove vengono posati i conduttori isolati dell'avvolgimento dell'indotto.

Un collettore è fissato sull'albero dell'indotto, costituito da piastre di rame separate saldate in determinati punti dell'avvolgimento dell'indotto. Le piastre del collettore sono isolate l'una dall'altra dalla micanite. Il collettore serve per rettificare la corrente e deviarla con l'ausilio di spazzole fisse alla rete esterna.

Gli elettromagneti del generatore CC sono costituiti da nuclei in acciaio imbullonati al telaio. Il telaio del generatore è fuso in acciaio. Per macchine di potenza molto bassa, il telaio è fuso insieme alle anime dei poli. In altri casi, i nuclei dei pali sono reclutati da lamiere separate di acciaio elettrico. Le bobine fatte di filo di rame isolato sono poste sui nuclei. La corrente continua passata attraverso l'avvolgimento di eccitazione crea un flusso magnetico dei poli. Per una migliore distribuzione del flusso magnetico nel traferro, i poli con punte sono fissati al giogo, assemblatiida singole lamiere di acciaio.

Quando l'armatura ruota in un campo magnetico positivo, nel conduttore del suo avvolgimento viene indotto un EMF, variabile in grandezza e direzione. Se le estremità di un giro sono saldate a due anelli di rame, agli anelli vengono applicate spazzole collegate a una rete esterna, quindi quando il giro ruota in un campo magnetico, una corrente elettrica alternata scorrerà in un circuito chiuso. Questa è la base per il funzionamento degli alternatori.

Se le estremità della bobina sono fissate a due semianelli di rame, isolati l'uno dall'altro e chiamati piastre collettori, e su di essi vengono applicate delle spazzole, quando la bobina ruota in un campo magnetico, verrà comunque indotto un EMF alternato nel bobina. Tuttavia, nel circuito esterno scorre una corrente di direzione costante di varia entità (corrente pulsante).

La linea neutra, o neutro geometrico, è la linea passante per il centro dell'armatura e perpendicolare all'asse dei poli. Il lato attivo della bobina in questa posizione scorre lungo le linee magnetiche senza attraversarle. Pertanto, nessun EMF viene indotto nella bobina e la corrente nel circuito è zero. La larghezza della spazzola è maggiore della larghezza della divisione del collettore formata dalla piastra e dalla fessura isolante, e la bobina, trovandosi sulla linea neutra, è in questo momento della spazzola in cortocircuito.

Per i generatori funzionanti con un carico che varia rapidamente (gru, laminatoi), a volte viene utilizzato un avvolgimento di compensazione, che viene posato in scanalature appositamente realizzate nelle espansioni polari. La direzione della corrente nell'avvolgimento di compensazione deve essere opposta alla corrente nei conduttori dell'avvolgimento dell'indotto. Sull'arco coperto dall'espansione polare, il campo magnetico dell'avvolgimento di compensazione bilancerà il campo di reazione dell'indotto, impedendo la distorsione del campo macchina. L'avvolgimento di compensazione, così come l'avvolgimento dei poli aggiuntivi, è collegato in serie all'avvolgimento dell'indotto.

73. TIPI DI GENERATORI DC

A seconda del metodo di creazione di un campo magnetico, i generatori CC sono divisi in tre gruppi:

1) generatori a magneti permanenti, o magnetoelettrici;

2) generatori ad eccitazione indipendente;

3) generatori con autoeccitazione. I generatori magnetoelettrici sono costituiti da uno o più magneti permanenti, nel cui campo ruota un'armatura con un avvolgimento. A causa della bassissima potenza generata, i generatori di questo tipo non vengono utilizzati per scopi industriali.

In un generatore ad eccitazione indipendente, gli avvolgimenti polari sono alimentati da una sorgente esterna di tensione costante indipendente dal generatore (generatore DC, raddrizzatore, ecc.).

L'avvolgimento di eccitazione dei poli del generatore con autoeccitazione è alimentato dalle spazzole d'indotto della macchina stessa. Il principio di autoeccitazione è il seguente. In assenza di corrente nell'avvolgimento di eccitazione, l'armatura del generatore ruota in un debole campo magnetico di magnetismo residuo dei poli. L'EMF indipendente indotto nell'avvolgimento dell'indotto in questo momento invia una piccola corrente nell'avvolgimento del polo. Il campo magnetico dei poli aumenta, facendo aumentare anche l'EMF nei conduttori dell'indotto, che a sua volta causerà un aumento della corrente di eccitazione. Ciò continuerà fino a quando non viene stabilita una corrente nell'avvolgimento di eccitazione corrispondente al valore di resistenza del circuito di eccitazione. L'autoeccitazione della macchina può avvenire solo se la corrente che scorre attraverso l'avvolgimento dei poli creerà un campo magnetico che accresce il campo del magnetismo residuo e se, inoltre, la resistenza del circuito di eccitazione non supera un certo valore.

I generatori autoeccitati, a seconda del metodo di collegamento dell'avvolgimento di campo all'avvolgimento dell'indotto, sono divisi in tre tipi.

1. Un generatore con eccitazione parallela (shunt), in cui l'avvolgimento di eccitazione dei poli è collegato in parallelo con l'avvolgimento dell'indotto.

2. Generatore con eccitazione seriale (serie), in cui l'avvolgimento di eccitazione dei poli è collegato in serie con l'avvolgimento dell'indotto.

3. Generatore con eccitazione mista (composto), che presenta due avvolgimenti sui poli: uno è collegato in parallelo all'avvolgimento dell'indotto e l'altro è collegato in serie all'avvolgimento dell'indotto. La tensione di un generatore eccitato in modo indipendente cambia con il carico per due motivi:

1) a causa di una caduta di tensione nell'avvolgimento dell'indotto e del contatto di transizione delle spazzole;

2) l'azione della reazione dell'indotto, che porta ad una diminuzione del flusso magnetico e dell'EMF della macchina. Per un generatore con eccitazione in parallelo, la tensione con il carico cambia per tre motivi: 1) a causa di una caduta di tensione nell'avvolgimento dell'indotto e del contatto di transizione delle spazzole;

2) a causa di una diminuzione del flusso magnetico causato dall'azione della reazione dell'indotto;

3) sotto l'influenza dei primi due motivi, la tensione del generatore (o la tensione delle spazzole dell'indotto) diminuisce con il carico.

Un generatore con eccitazione in serie differisce da un generatore con eccitazione in parallelo, in quanto la tensione del primo aumenta all'aumentare del carico, mentre quella del secondo diminuisce.

Un generatore di eccitazione mista combina le proprietà dei generatori di eccitazione in parallelo e in serie.

74. MOTORI ELETTRICI

Se una macchina CC è collegata a una fonte di tensione, funzionerà con un motore elettrico, ovvero converte l'energia elettrica in energia meccanica. Si chiama questa proprietà delle macchine elettriche di funzionare sia come generatore che come motore reversibilità.

Il motore elettrico è stato inventato nel 1834 da un accademico russo BS Jacobi.

Il dispositivo dei motori elettrici è lo stesso dei generatori. Il principio di funzionamento dei motori elettrici a corrente continua si basa sull'interazione tra la corrente che scorre nell'avvolgimento dell'indotto e il campo magnetico creato dai poli degli elettromagneti. La potenza assorbita dal motore dalla rete è maggiore della potenza sull'albero per la quantità di perdite per attrito nei cuscinetti, spazzole sul collettore, indotti in aria, perdite nell'acciaio per isteresi e correnti parassite, perdite di potenza per il riscaldamento del avvolgimenti motore e reostati. L'efficienza di un motore elettrico cambia con il carico. Alla potenza nominale, l'efficienza dei motori varia dal 70 al 93%, a seconda della potenza, della velocità di rotazione e del design dei motori.

A seconda del collegamento dell'avvolgimento dell'indotto e dell'avvolgimento di eccitazione, i motori elettrici a corrente continua sono suddivisi in motori con eccitazione parallela, in serie e mista.

I conduttori dell'avvolgimento dell'indotto, attraverso il quale passa la corrente, trovandosi nel campo magnetico creato dai poli, subiscono una forza sotto l'azione della quale vengono espulsi dal campo magnetico. Affinché l'indotto del motore ruoti in una direzione particolare, è necessario che la direzione della corrente nel conduttore cambi in senso opposto, non appena il conduttore lascia l'area di copertura di un polo, attraversa il neutro linea ed entra nell'area di copertura di un polo confinante, opposto. Per dirigere la corrente nei conduttori dell'avvolgimento dell'indotto del motore nel momento in cui i conduttori attraversano la linea neutra, viene utilizzato un collettore.

In un motore elettrico con eccitazione parallela, l'avvolgimento di campo è collegato in parallelo alla rete e, con una resistenza costante del circuito di eccitazione e tensione di rete, il flusso magnetico del motore deve essere costante. All'aumentare del carico del motore, la reazione dell'indotto indebolisce il flusso magnetico, il che porta ad un certo aumento della velocità. In pratica, la caduta di tensione nell'avvolgimento dell'indotto è selezionata in modo tale che il suo effetto sulla velocità del motore sia quasi compensato dalla reazione dell'indotto. Una proprietà caratteristica di un motore con eccitazione parallela è una velocità di rotazione quasi costante quando cambia il carico sul suo albero.

Per i motori con eccitazione in serie, gli avvolgimenti dell'indotto e di eccitazione sono collegati in serie. Pertanto, la corrente che scorre attraverso entrambi gli avvolgimenti del motore sarà la stessa. A basse saturazioni dell'acciaio del circuito magnetico del motore, il flusso magnetico è proporzionale alla corrente di armatura.

In un motore elettrico ad eccitazione mista, la presenza di due avvolgimenti sui poli del motore consente di sfruttare i vantaggi dei motori ad eccitazione parallela e mista. Questi vantaggi sono la velocità costante e l'elevata coppia di spunto. Il controllo della velocità del motore ad eccitazione mista viene effettuato da un reostato di regolazione inserito nel circuito dell'avvolgimento di eccitazione parallela.

75. RADDRIZZATORI

Generatori di motori usato raramente e di solito usano dispositivi speciali che convertono la corrente alternata in corrente continua e sono chiamati raddrizzatori. In ingegneria, due tipi di raddrizzatori sono i più utilizzati:

1) raddrizzatori solidi;

2) raddrizzatori a mercurio.

I raddrizzatori solidi sono chiamati quelli in cui le singole parti sono costituite da corpi solidi. Dai raddrizzatori solidi, l'ossido di rame (cuprox), il selenio, il silicio e il germanio si sono diffusi nella tecnologia.

I raddrizzatori al mercurio sono:

1) vetro;

2) metallo.

Oltre ai raddrizzatori solidi e al mercurio, esistono anche raddrizzatori: meccanici, kenotroni, gastroni, elettrolitici. I kenotron (raddrizzatori a tubi) sono ampiamente utilizzati nell'ingegneria radio, si trovano nella maggior parte dei moderni ricevitori radio alimentati da reti CA, ecc. I raddrizzatori all'ossido di rame (cuprox) sono costituiti da tre strati:

1) un metallo che ha elettroni liberi in alta concentrazione;

2) isolante (blocco), non avendo elettroni liberi;

3) un semiconduttore avente un piccolo numero di elettroni liberi. Se c'è una differenza di potenziale su piccoli strati, nello strato bloccante si forma un forte campo elettrico, che contribuisce all'espulsione di elettroni liberi dagli strati adiacenti.

Nei raddrizzatori al selenio, un elettrodo è una rondella di ferro nichelata rivestita con un sottile strato di selenio. Il secondo elettrodo è uno strato di una speciale lega altamente conduttiva di bismuto, stagno e cadmio depositata sul selenio. Una rondella di contatto in ottone viene premuta contro questo strato. Per includere l'elemento nel circuito, vengono utilizzate piastre che toccano entrambi gli elettrodi. Uno strato barriera appare al confine tra lo strato di copertura e lo strato di selenio.

L'azione di un raddrizzatore a mercurio si basa sulla cosiddetta capacità della valvola (unilaterale) di un arco elettrico che si è formato in un vaso evacuato e riempito di mercurio di far passare la corrente in una sola direzione. Una valvola è un dispositivo che ha una bassa resistenza per la corrente diretta e un'alta resistenza per la corrente inversa.

Per correnti superiori a 500 A vengono utilizzati raddrizzatori a mercurio metallico. La custodia in metallo del raddrizzatore è raffreddata ad acqua. La coppa catodica, isolata dal corpo, è piena di mercurio. Gli anodi principali vengono fatti passare attraverso manicotti anodici, che proteggono gli anodi dal mercurio condensato dai suoi vapori. L'anodo di accensione e gli anodi di eccitazione indipendenti sono posti all'interno del raddrizzatore. L'estremità superiore dell'anodo di accensione è fissata a un nucleo in acciaio posizionato nel solenoide. Se si chiude il circuito di corrente che alimenta il solenoide, il nucleo viene assorbito e abbassa l'anodo di accensione, che viene immerso nel mercurio per un breve periodo e poi ritorna nella posizione precedente sotto l'azione della molla. L'arco che si è formato tra l'anodo di accensione e il mercurio viene trasferito agli anodi di eccitazione, che supportano l'arco, impedendone l'estinzione.

La regolazione della tensione rettificata sui raddrizzatori viene eseguita utilizzando un trasformatore sezionato o un autotrasformatore, che ha un numero di rami dai suoi avvolgimenti. Modificando il valore della tensione alternata che alimenta il raddrizzatore, si modifica il valore della tensione raddrizzata.

76. STRUMENTI ELETTRICI

Per misurare le grandezze elettriche vengono utilizzati speciali strumenti di misura elettrici. Gli strumenti elettrici di misura hanno trovato ampia applicazione per il funzionamento razionale, il controllo e la protezione degli impianti elettrici in vari settori dell'economia nazionale.

Negli strumenti di misura elettrici, ci sono parti mobili e fisse del dispositivo. La manifestazione della corrente elettrica, ad esempio i suoi effetti termici, magnetici e meccanici, sono la base per l'interazione delle parti mobili e fisse del dispositivo. La coppia risultante ruota la parte mobile del dispositivo insieme al puntatore (freccia).

Sotto l'azione di una coppia, il sistema mobile ruota di un angolo tanto maggiore quanto maggiore è il valore misurato. A differenza della coppia, deve essere creato un momento di contrasto uguale e opposto, poiché altrimenti, per qualsiasi valore del valore misurato (tranne lo zero), la freccia devierà fino al fondo scala fino all'arresto.

Tipicamente, la controcoppia viene generata utilizzando molle elicoidali in bronzo fosforoso.

L'attrito, come sapete, è sempre diretto contro il movimento. Pertanto, quando la parte mobile del dispositivo si muove, l'attrito interferirà con questo e distorcerà le letture del dispositivo. Per ridurre l'attrito, la parte mobile in alcuni modelli è montata su anime in cuscinetti reggispinta in pietra ad alta durezza (rubino, zaffiro, agata). Per proteggere i nuclei e i cuscinetti reggispinta dalla distruzione durante il trasferimento o il trasporto, alcuni dispositivi hanno un dispositivo chiamato in gabbia, che solleva la parte mobile e la fissa immobile.

Sotto l'influenza di determinati motivi, il momento di contrasto del dispositivo cambia. Ad esempio, a diverse temperature, le molle elicoidali hanno un'elasticità diseguale. In questo caso, la freccia del dispositivo si allontanerà dalla divisione zero. Per impostare la freccia sulla posizione zero, viene utilizzato un dispositivo chiamato correttore. Il meccanismo di misurazione del dispositivo è racchiuso in un alloggiamento che lo protegge dalle influenze meccaniche e dall'ingresso di polvere, acqua, gas.

Una delle condizioni per il dispositivo è il rapido calmamento della sua parte mobile, ottenuto installando ammortizzatori sfruttando la resistenza meccanica del mezzo (aria, olio) o la frenatura ad induzione magnetica.

Gli strumenti di misura elettrici si distinguono per le seguenti caratteristiche: 1) per la natura del valore misurato;

2) dal tipo di corrente;

3) in base al grado di accuratezza;

4) secondo il principio di azione;

5) secondo il metodo per ottenere una lettura;

6) per la natura della domanda.

Oltre a queste caratteristiche, gli strumenti di misura elettrici si possono distinguere anche:

1) per metodo di montaggio;

2) un metodo di protezione contro campi magnetici o elettrici esterni;

3) resistenza in relazione ai sovraccarichi;

4) idoneità all'uso a diverse temperature;

5) ingombri ed altre caratteristiche.

A seconda del tipo di corrente, i dispositivi si dividono in dispositivi a corrente continua, dispositivi a corrente alternata e dispositivi a corrente continua e alternata.

Secondo il principio di funzionamento, i dispositivi sono suddivisi in magnetoelettrico, elettromagnetico, elettrodinamico (ferrodinamico), induzione, termico, vibrazione, termoelettrico, rivelatore, ecc.

77. DISPOSITIVO DEGLI STRUMENTI DI MISURA

I dispositivi del sistema magnetoelettrico funzionano secondo il principio dell'interazione di una bobina con la corrente e il campo di un magnete permanente. Un potente magnete permanente a ferro di cavallo in acciaio al cobalto, tungsteno o nichel-alluminio crea un campo magnetico. Alle estremità del magnete sono presenti espansioni polari in acciaio dolce con scanalature cilindriche. Tra le espansioni polari è fissato un cilindro in acciaio che serve a ridurre la resistenza del circuito magnetico. Le linee magnetiche escono dalle espansioni polari e, poiché la permeabilità magnetica dell'acciaio è molto maggiore di quella dell'aria, entrano radicalmente nel cilindro, formando un campo magnetico quasi uniforme nel traferro. Lo stesso campo si crea quando le linee magnetiche escono dal cilindro. Il cilindro è circondato da un telaio in alluminio leggero su cui è avvolto un avvolgimento (bobina), realizzato in filo di rame isolato. Il telaio si trova su un asse che giace in cuscinetti reggispinta. All'asse è fissata anche una freccia in alluminio. Il momento di contrasto è creato da due molle elicoidali piatte, che servono contemporaneamente a fornire corrente all'avvolgimento del dispositivo.

I dispositivi elettromagnetici funzionano secondo il principio dell'interazione tra la corrente della bobina e il campo magnetico di un nucleo mobile in materiale ferromagnetico. In base alla progettazione, i dispositivi elettromagnetici sono divisi in due tipi: dispositivi con bobina piatta e dispositivi con bobina rotonda.

Il principio di funzionamento dei dispositivi elettrodinamici si basa sull'interazione dei campi magnetici di due bobine: una, fissa e l'altra, seduta su un asse e rotante.

Il principio di funzionamento dei dispositivi termici si basa sull'allungamento di un filo metallico quando riscaldato dalla corrente, che viene quindi convertito in un movimento rotatorio della parte mobile del dispositivo.

Gli strumenti di misura induttivi sono caratterizzati dall'utilizzo di più bobine fisse, alimentate con corrente alternata, che creano un campo magnetico rotante o continuo, che induce correnti nella parte mobile dello strumento e lo fa muovere. I dispositivi a induzione vengono utilizzati solo con corrente alternata come wattmetri e contatori elettrici.

Il principio di funzionamento dei dispositivi di un sistema termoelettrico si basa sull'uso di una forza elettromotrice che si genera in un circuito costituito da conduttori dissimili, se la giunzione di questi conduttori ha una temperatura diversa dalla temperatura del resto del circuito.

I dispositivi del sistema di rilevamento sono una combinazione di un dispositivo di misurazione magnetoelettrico e uno o più raddrizzatori a semiconduttore (rilevatori) collegati insieme in un circuito. I raddrizzatori all'ossido di rame sono solitamente usati come raddrizzatori.

Gli strumenti del sistema vibratorio sono caratterizzati dall'uso di un numero di piastre accordate aventi periodi di oscillazione naturali differenti e che consentono la misura della frequenza dovuta alla risonanza della frequenza della piastra oscillante con la frequenza misurata. I dispositivi vibranti sono costruiti solo come frequenzimetri.

78. TRASFORMATORI DEGLI STRUMENTI

Nelle reti CA, i trasformatori di misura di tensione e corrente vengono utilizzati per separare gli strumenti di misura per motivi di sicurezza dai cavi dell'alta tensione, nonché per ampliare il campo di misura degli strumenti.

Per garantire un'elevata precisione di misurazione, i trasformatori di tensione (corrente) non devono modificare il loro rapporto di trasformazione e avere un angolo costante di 180 tra i vettori di tensione (corrente) primario e secondario. L'ultima condizione è necessaria quando si accendono tali dispositivi tramite trasformatori di tensione (corrente), le cui letture dipendono dall'angolo di spostamento tra la tensione e la corrente della rete.

Tuttavia, in pratica, i trasformatori di tensione (corrente) presentano il cosiddetto errore nel rapporto di trasformazione e l'errore angolare.

L'errore relativo nel rapporto di trasformazione è la differenza tra la tensione secondaria (corrente) moltiplicata per il rapporto di trasformazione e il valore effettivo della tensione primaria (corrente).

Errore angolare del trasformatore di misura la tensione (corrente) è l'angolo tra il vettore della tensione primaria (corrente) e il vettore della tensione secondaria (corrente) ruotato di 180. L'errore del rapporto di trasformazione e l'errore angolare aumentano con il carico. Pertanto, i trasformatori non possono essere caricati in eccesso rispetto alla potenza nominale (indicata sul passaporto).

Gli avvolgimenti primari e secondari del trasformatore di tensione di misura sono realizzati in filo di rame isolato e posti su un nucleo chiuso assemblato da lamiere separate di acciaio del trasformatore. I trasformatori di tensione sono realizzati monofase e trifase. Per proteggere il trasformatore da sovraccarichi e cortocircuiti nel circuito dello strumento di misura, nell'avvolgimento secondario è incluso un fusibile a bassa tensione. In caso di guasto nell'isolamento dell'avvolgimento ad alta tensione, il nucleo e l'avvolgimento secondario possono ricevere un potenziale elevato. Per evitare ciò, l'avvolgimento secondario e le parti metalliche del trasformatore sono collegati a terra.

I trasformatori di corrente vengono utilizzati per convertire una grande corrente in una piccola corrente. Sul nucleo sono avvolti due avvolgimenti, assemblati da lamiere separate di acciaio del trasformatore: il primario, costituito da un piccolo numero di spire, collegato in serie al circuito attraverso il quale passa la corrente misurata, e il secondario, costituito da un gran numero di giri, a cui sono collegati gli strumenti di misura. Quando si misura la corrente nelle reti ad alta tensione, gli strumenti di misura sono separati e isolati dai fili ad alta tensione. L'avvolgimento secondario del trasformatore di corrente viene solitamente eseguito per una corrente di 5 A (a volte 10 A), le correnti nominali primarie possono variare da 5 a 15 A.

Il rapporto tra la corrente primaria e quella secondaria, che è approssimativamente uguale al rapporto inverso delle spire degli avvolgimenti, è chiamato rapporto di trasformazione della corrente. Il rapporto di trasformazione nominale è indicato sul passaporto del trasformatore sotto forma di frazione, al numeratore della quale è indicata la corrente primaria nominale e al denominatore la corrente secondaria nominale.

79. REOSTATI

Nella pratica elettrica, oltre che nel funzionamento di macchine elettriche, vengono utilizzati vari reostati.

Un reostato è un dispositivo che ha una certa resistenza, che può essere modificata, modificando così la corrente e la tensione del circuito. I reostati sono disponibili con contatto strisciante, leva, liquido, lampada e spina.

Reostato a contatto strisciante. Un filo nudo è avvolto su un tubo di porcellana. Come risultato di una lavorazione speciale, la superficie del filo è ricoperta da un sottile film di ossido che non conduce corrente. Un cursore scorre lungo la barra di metallo, premendo contro il filo del reostato. Poiché parte della resistenza del reostato è inserita in serie alla lampada elettrica, la corrente che scorre attraverso il filamento della lampada sarà ridotta e in questo caso la lampada brucerà meno. Spostando il cursore verso destra, ridurremo la resistenza del reostato e aumenterà l'intensità della luce della lampada. I reostati a contatto scorrevole vengono utilizzati laddove è richiesta una variazione graduale e lenta della corrente nel circuito.

Reostato a leva. Le spirali di filo sono tese su un telaio di materiale isolante. Le spirali sono collegate in serie. I rami verso i contatti sono realizzati dall'inizio, dalla fine e dalle giunzioni delle singole spirali. Posizionando la leva su un determinato contatto del reostato, possiamo cambiare la resistenza, e con essa la corrente nel circuito. Tuttavia, questi cambiamenti non si verificano in modo fluido, ma brusco.

I materiali più comuni per i reostati a filo sono ferro, nichelina, costantana, manganina e nicromo.

Reostato liquido. Un reostato è un recipiente di metallo con una soluzione di soda. Una leva è fissata sul cardine, su cui è presente un coltello di ferro o di rame. La leva con coltello è isolata dalla scatola metallica da una guarnizione. Alzando o abbassando il coltello nella soluzione di soda, possiamo cambiare la corrente nel circuito. Abbassando il coltello nella soluzione, aumentiamo l'area di contatto tra il coltello e la soluzione e aumentiamo la corrente che passa attraverso il reostato. Con un'ulteriore immersione del coltello, il contatto dell'impugnatura entrerà nel morsetto sulla custodia metallica e il reostato verrà cortocircuitato, ovvero spento dal lavoro.

I reostati liquidi sono utilizzati nei circuiti ad alte correnti.

Reostato lampada. Rappresenta un insieme di più lampade elettriche collegate in parallelo. È noto che se una lampada a incandescenza ha una resistenza di 150 ohm, due lampade uguali avranno una resistenza totale di soli 75 ohm, tre lampade - 50 ohm, ecc.

Pertanto, la resistenza totale di più lampade identiche collegate in parallelo sarà uguale alla resistenza di una lampada divisa per il numero di lampade collegate.

Spina reostati. Spesso indicati come scatole di resistenza, rappresentano un insieme di resistenze specifiche finemente sintonizzate. Le estremità delle bobine di resistenza sono fissate a una barra di rame tagliata. Quando un tappo di rame viene inserito negli intagli della barra, collega due parti adiacenti della barra. In questo modo, la resistenza, collegata dalle sue estremità alle parti vicine della barra, viene disattivata dal circuito o, come si suol dire, cortocircuitata (cortocircuitata).

La spina rimossa fa passare una corrente elettrica attraverso la bobina di resistenza.

Le scatole di resistenza facilitano l'inclusione di una resistenza di un valore definito con precisione in un circuito e vengono utilizzate nelle misurazioni elettriche.

80. MISURA DELLA POTENZA ELETTRICA ATTIVA

DC Dalla formula della potenza in corrente continua P = UI si può vedere che la determinazione della potenza può essere effettuata moltiplicando le letture dell'amperometro e del voltmetro. Tuttavia, in pratica, la misurazione della potenza viene solitamente effettuata utilizzando strumenti speciali: wattmetri. Il wattmetro è costituito da due bobine: una fissa, costituita da un piccolo numero di spire di filo spesso, e una mobile, costituita da un gran numero di spire di filo sottile. Quando il wattmetro è acceso, la corrente di carico passa attraverso una bobina fissa collegata in serie nel circuito e la bobina mobile è collegata in parallelo al consumatore. Per ridurre il consumo di energia nell'avvolgimento parallelo e ridurre il peso della bobina mobile, una resistenza aggiuntiva alla manganina è collegata in serie ad essa. Come risultato dell'interazione dei campi magnetici delle bobine mobili e fisse, si ottiene una coppia proporzionale alle correnti di entrambe le bobine. La coppia del dispositivo è proporzionale alla potenza consumata nel circuito.

Affinché la freccia del dispositivo devii da zero a destra, è necessario far passare la corrente attraverso la bobina in una certa direzione.

Oltre ai wattmetri elettrodinamici, i wattmetri del sistema ferrodinamico vengono utilizzati anche per misurare la potenza nei circuiti CC.

Corrente alternata monofase. Quando un wattmetro elettrodinamico è collegato a un circuito in corrente alternata, i campi magnetici delle bobine mobili e fisse, interagendo tra loro, faranno ruotare la bobina mobile. Il momento istantaneo di rotazione della parte mobile del dispositivo è proporzionale al prodotto dei valori istantanei delle correnti in entrambe le bobine del dispositivo. Ma a causa delle rapide variazioni delle correnti, il sistema in movimento non sarà in grado di seguire queste variazioni e il momento di rotazione del dispositivo sarà proporzionale alla potenza media o attiva P = U I cos? .

Per misurare la potenza della corrente alternata vengono utilizzati anche i wattmetri del sistema a induzione.

Quando si misura la potenza con un wattmetro in reti a bassa tensione con correnti elevate, vengono utilizzati trasformatori di corrente. Per ridurre la differenza di potenziale tra gli avvolgimenti del wattmetro, i circuiti primario e secondario del trasformatore di corrente hanno un punto in comune. L'avvolgimento secondario del trasformatore non è collegato a terra, poiché ciò significherebbe la messa a terra di un filo della rete.

Per determinare la potenza della rete in questo caso, è necessario moltiplicare la lettura del wattmetro per il rapporto di trasformazione del trasformatore.

Corrente alternata trifase. Con un carico uniforme di un sistema trifase, viene utilizzato un wattmetro monofase per misurare la potenza. In questo caso, la corrente di fase scorre attraverso l'avvolgimento in serie del wattmetro e l'avvolgimento parallelo è collegato alla tensione di fase. Pertanto, il wattmetro mostrerà la potenza di una fase. Per ottenere la potenza di un sistema trifase è necessario moltiplicare per tre la lettura di un wattmetro monofase.

Nelle reti ad alta tensione, un wattmetro trifase viene acceso utilizzando trasformatori di misurazione della tensione e della corrente.

81. MISURAZIONE DELL'ENERGIA ELETTRICA ATTIVA

DC Per misurare il consumo di energia in corrente continua vengono utilizzati contatori di tre sistemi: elettrodinamico, magnetoelettrico ed elettrolitico. I contatori più diffusi del sistema elettrodinamico. Le bobine a corrente fissa, costituite da un piccolo numero di spire di filo spesso, sono collegate in serie alla rete. Una bobina mobile di forma sferica, chiamata armatura, è montata su un asse che può ruotare in cuscinetti reggispinta. L'avvolgimento dell'indotto è costituito da un gran numero di spire di filo sottile ed è diviso in più sezioni. Le estremità delle sezioni sono saldate alle piastre di raccolta, che vengono toccate da spazzole piatte metalliche. La tensione di rete viene fornita all'avvolgimento dell'indotto tramite una resistenza aggiuntiva. Durante il funzionamento del misuratore, a seguito dell'interazione della corrente nell'avvolgimento dell'indotto e del flusso magnetico delle correnti fisse delle bobine, crea una coppia, sotto l'influenza della quale l'indotto inizierà a girare. La quantità di energia consumata nella rete può essere giudicata dal numero di giri effettuati dall'indotto (disco). La quantità di energia per giro dell'armatura è chiamata costante del metro. Il numero di giri dell'indotto per unità di energia elettrica registrata è chiamato rapporto di trasmissione.

Corrente alternata monofase. Per misurare l'energia attiva nei circuiti a corrente alternata monofase, vengono utilizzati contatori del sistema a induzione. Il dispositivo del misuratore a induzione è quasi lo stesso di quello del wattmetro a induzione. La differenza è che il misuratore non ha molle che creano un momento di contrasto, il che rende il disco del misuratore libero di ruotare. La freccia e la scala del wattmetro sono sostituite nel contatore da un meccanismo di conteggio. Il magnete permanente, che funge da calmante nel wattmetro, crea una coppia frenante nel misuratore.

Corrente alternata trifase. L'energia attiva di una corrente alternata trifase può essere misurata utilizzando due contatori monofase inseriti nel circuito secondo un circuito simile a quello di due wattmetri. È più conveniente misurare l'energia con un contatore di energia attiva trifase, che combina il funzionamento di due contatori monofase in un unico dispositivo. Il circuito di commutazione di un contatore di energia attiva trifase a due elementi è lo stesso del circuito del wattmetro corrispondente.

In una rete di corrente trifase a quattro fili, per misurare l'energia attiva viene utilizzato un circuito simile a quello di tre wattmetri, oppure viene utilizzato un contatore trifase a tre elementi. Nelle reti ad alta tensione, i contatori vengono accesi utilizzando trasformatori di misurazione della tensione e della corrente.

L'energia reattiva di una corrente monofase può essere determinata leggendo un amperometro, un voltmetro, un misuratore di fase e un cronometro.

Per tenere conto dell'energia reattiva nelle reti di corrente trifase, è possibile utilizzare normali contatori di energia attiva e speciali contatori di energia reattiva.

Considera il dispositivo di uno speciale contatore di energia reattiva trifase. Il dispositivo misuratore di questo tipo è lo stesso del dispositivo di un wattmetro trifase a due elementi. Gli avvolgimenti paralleli di due elementi sono collegati alla rete. Non due, ma quattro avvolgimenti di serie sono sovrapposti a nuclei a forma di U. Inoltre, un avvolgimento seriale è avvolto su uno dei rami dell'anima ad U del primo elemento. Il secondo avvolgimento di corrente è posto sul secondo ramo del nucleo del primo sistema e il terzo avvolgimento di corrente è posto sul primo ramo del secondo sistema. Il quarto avvolgimento di corrente è posto sul secondo ramo dell'anima ad U del secondo elemento.

82. AZIONAMENTO ELETTRICO

Il motore e la trasmissione azionano l'attuatore. Pertanto, queste due parti della macchina sono chiamate viaggio.

Se viene utilizzato un motore elettrico per azionare la macchina funzionante, tale azionamento viene chiamato azionamento elettrico o azionamento elettrico in breve.

La prima applicazione pratica dell'azionamento elettrico dovrebbe essere considerata il suo utilizzo su una barca da parte di un accademico BS Jacobi nel 1838. Sulla barca fu installato un motore elettrico, alimentato da una batteria galvanica.

Gli azionamenti elettrici utilizzati nella produzione possono essere suddivisi in tre tipi principali: gruppo, singolo e multimotore.

Il gruppo di azionamento elettrico è costituito da un motore elettrico, il quale, attraverso la trasmissione e il contromotore, aziona più attuatori. Il contromotore è un albero corto che giace su cuscinetti. Sull'albero si trovano una puleggia a gradini, una puleggia di lavoro (collegata all'albero) e una puleggia folle (che si trova liberamente sull'albero). Il contromotore permette di variare la velocità di rotazione della macchina (mediante puleggia a gradini), arrestare e avviare la macchina (mediante puleggia funzionante o folle). L'arresto del motore di azionamento porta alla cessazione di tutti gli attuatori che ricevono energia meccanica da esso. Quando solo una parte degli attuatori è in funzione, l'azionamento del gruppo ha una bassa efficienza.

Un singolo attuatore elettrico è costituito da un motore elettrico che aziona un attuatore separato. I trapani monomandrino, i torni a bassa potenza, ecc. sono dotati di un unico azionamento Inizialmente la trasmissione del movimento dal motore alla macchina avveniva tramite un contromotore. Successivamente, il motore elettrico stesso è stato oggetto di modifiche progettuali e ha iniziato ad essere parte integrante dell'attuatore. Viene chiamata una tale unità singola individuale.

Un azionamento multimotore è costituito da diversi motori elettrici, ciascuno dei quali viene utilizzato per azionare i singoli elementi dell'attuatore. Gli azionamenti multimotore sono utilizzati per macchine complesse per la lavorazione dei metalli ad alta potenza, laminatoi, macchine per la carta, gru e altre macchine e meccanismi.

A seconda del tipo di corrente, l'azionamento elettrico è suddiviso in un azionamento elettrico in corrente continua e un azionamento elettrico in corrente alternata. A seconda del metodo di collegamento dell'indotto e degli avvolgimenti di eccitazione, i motori CC si distinguono per l'eccitazione parallela, in serie e mista.

Quando si determina la potenza della macchina, si distinguono tre modalità operative.

1. Il servizio continuo è caratterizzato da un funzionamento in cui il periodo di funzionamento è così lungo che il riscaldamento della macchina raggiunge lo stato stazionario.

2. Il funzionamento a breve termine è caratterizzato dal fatto che durante il periodo di funzionamento la temperatura del motore non ha il tempo di raggiungere uno stato stazionario.

3. La modalità di funzionamento intermittente è caratterizzata dall'alternanza di periodi di lavoro e pause. La durata di un periodo di lavoro e di una pausa non deve superare i 10 minuti. La modalità di lavoro intermittente è determinata dalla durata relativa del periodo di lavoro.

83. ISOLAMENTO, PROGETTAZIONE E RAFFREDDAMENTO DI MACCHINE ELETTRICHE

La potenza del motore è determinata dal suo riscaldamento. Il riscaldamento consentito della macchina è limitato dalla resistenza al calore dei materiali isolanti, nonché dal sistema di raffreddamento del motore.

I materiali isolanti utilizzati nelle macchine elettriche sono suddivisi in cinque classi. Classe di isolamento A. Comprende tessuti di cotone, seta, filati, carta e altri materiali organici impregnati di vari oli, nonché smalti e vernici. Classe di isolamento B. Ciò include prodotti a base di mica, amianto e altri materiali inorganici contenenti leganti organici. Classe di isolamento BC. È costituito da mica, filati di vetro e amianto su vernici resistenti al calore. Classe di isolamento CB. Composto da materiali inorganici su vernici resistenti al calore senza l'utilizzo di materiali isolanti classe A. Classe di isolamento C. Include mica, porcellana, vetro, quarzo e altri materiali inorganici senza leganti. La massima temperatura di riscaldamento consentita per l'isolamento classe A-105o, per classe B-120o, per classe di aeromobili -135o, per Classe S leggermente superiore, a seconda della resistenza al calore delle vernici utilizzate, per classe C la temperatura non è impostata.

Secondo il metodo di protezione dall'influenza dell'ambiente esterno, si distinguono le seguenti forme di esecuzione delle macchine elettriche.

1. Aprire la macchina elettrica. Le parti rotanti e sottoposte a corrente della macchina in questa versione non sono protette dal contatto accidentale e dall'ingresso di corpi estranei su di esse.

2. Macchina elettrica protetta. Le parti rotanti e sottoposte a corrente di tale macchina sono protette dal contatto e da corpi estranei.

3. Macchina elettrica antigoccia. Le parti interne di tale macchina sono protette dall'ingresso di gocce d'acqua che cadono verticalmente.

4. Macchina elettrica a prova di schizzi. Le parti interne della macchina sono protette dagli schizzi d'acqua che cadono con un angolo di 45° dalla verticale da qualsiasi lato.

5. Macchina elettrica chiusa. Le parti interne della macchina di questo design sono separate dall'ambiente esterno, ma non così strettamente da poter essere considerate ermetiche. Questa macchina viene utilizzata in ambienti polverosi e può essere installata all'esterno.

6. Macchina elettrica impermeabile. Lo spazio interno della macchina è protetto dalla penetrazione dell'acqua al suo interno quando si versa sopra la macchina da un tubo. Utilizzato nelle installazioni navali.

7. Macchina elettrica antideflagrante. Una macchina chiusa progettata in modo tale da poter resistere all'esplosione al suo interno di quei gas contenuti nell'ambiente esterno.

8 ... Macchina ermetica. Una macchina completamente chiusa, in cui tutte le aperture sono così chiuse che, ad una certa pressione esterna, viene esclusa qualsiasi comunicazione tra l'interno della macchina e il mezzo gassoso e liquido che circonda la macchina dall'esterno.

In base al metodo di raffreddamento, le macchine sono suddivise nei seguenti tipi.

1. Macchine free-cooling senza ventole dedicate. La circolazione dell'aria di raffreddamento avviene grazie all'azione ventilante delle parti rotanti delle macchine e al fenomeno della convezione.

2. Macchine ad aspirazione artificiale o ventilazione forzata, in cui la circolazione del gas che raffredda le parti riscaldate è potenziata da un apposito ventilatore, tra cui: macchine autoventilate con ventilatore sull'albero (protetto o chiuso); macchine con ventilazione indipendente, il cui ventilatore è azionato da un motore esterno (macchine chiuse).

84. PROTEZIONE DEI MOTORI ELETTRICI

Per evitare danni all'isolamento del motore e danni all'integrità degli avvolgimenti e dei collegamenti elettrici, i motori devono essere dotati di dispositivi di protezione che ne assicurino la tempestiva disconnessione dalla rete. Le cause più comuni di funzionamento anomalo del motore sono sovraccarichi, cortocircuiti, sottotensione o perdita di tensione.

Sovraccarico si chiama aumento della corrente del motore superiore al valore nominale. I sovraccarichi possono essere piccoli e di breve durata. I sovraccarichi possono essere eccessivi e prolungati: sono pericolosi per gli avvolgimenti del motore, poiché una grande quantità di calore generato dalla corrente può carbonizzare l'isolamento e bruciare gli avvolgimenti.

Anche i cortocircuiti che possono verificarsi nei suoi avvolgimenti sono pericolosi per il motore. Viene chiamata la protezione dei motori contro sovraccarichi e cortocircuiti protezione da sovracorrente. La massima protezione è fornita da fusibili, relè di corrente, relè termici. La scelta di determinati dispositivi di protezione dipende dalla potenza, dal tipo e dallo scopo del motore, dalle condizioni di avviamento e dalla natura dei sovraccarichi.

I fusibili sono dispositivi con filo a basso punto di fusione in rame, zinco o piombo e montati su una base isolante. Lo scopo dei fusibili è di disconnettere l'utenza dalla rete in caso di sovraccarico o cortocircuito inaccettabile. I fusibili hanno una potenza relativamente piccola che i fusibili o qualche tipo di dispositivo di disconnessione possono tagliare senza pericolo di essere danneggiati o distrutti, chiamato il potere di interruzione definitivo.

I fusibili sono in sughero, a piastra e tubolari. I fusibili a specchio sono realizzati per tensioni fino a 500 V e correnti da 2 a 60 A e vengono utilizzati per proteggere reti di illuminazione e motori elettrici di bassa potenza. Attualmente si cerca di non utilizzare i fusibili lamellari, che presentano importanti inconvenienti (schizzi del metallo dell'inserto durante la combustione, difficoltà nella loro sostituzione). I fusibili tubolari a bassa tensione sono prodotti per tensioni fino a 500 V e correnti da 6 a 1000 A. Strutturalmente, i fusibili tubolari possono essere realizzati con un tubo di porcellana aperto e con un tubo chiuso in vetro, fibra o porcellana. I tubi con collegamenti fusibili che li attraversano sono spesso ricoperti di sabbia di quarzo. Nel momento in cui si brucia la miccia, la sabbia spezza l'arco elettrico in una serie di piccoli archi, raffredda bene l'arco e si spegne rapidamente.

Nei circuiti elettrici in corrente continua e alternata con tensione fino a 500 V vengono utilizzati interruttori automatici dell'aria o semplicemente automi. Lo scopo delle macchine è quello di aprire circuiti elettrici in caso di sovraccarico o cortocircuito.

La parte principale del relè termico è una piastra bimetallica. Sotto l'azione del calore dell'elemento riscaldante si deforma la piastra bimetallica che, piegandosi, rilascia il chiavistello. Sotto l'azione di una molla, lo scrocco ruota attorno all'asse e, con l'aiuto di un'asta, apre i contatti normalmente chiusi del circuito ausiliario del relè. Il fermo viene riportato nella sua posizione originale utilizzando il pulsante di ritorno. L'elemento riscaldante del relè termico viene selezionato in base alla corrente nominale del motore.

85. CONTATTORI E CONTROLLORI

Per il controllo remoto e automatico di motori elettrici, contattori. A seconda del tipo di corrente, i contattori sono in corrente continua e alternata.

In un contattore CC, il circuito di potenza chiuso dal contattore passa attraverso contatti montati su una base isolante, contatti del contattore stesso e una connessione flessibile di trasporto di corrente. Il contattore è chiuso da un elettromagnete, il cui avvolgimento è alimentato da un circuito di controllo ausiliario. Quando il circuito di controllo è chiuso, l'elettromagnete attira l'armatura, che chiude i contatti del contattore.

Il contattore viene mantenuto in posizione di attivazione finché il circuito dell'avvolgimento dell'elettromagnete è chiuso. I contattori CC KP sono costruiti con uno, due e tre contatti principali operanti in circuiti CC con una tensione di 220, 440 e 600 V. Le correnti nominali per le quali sono progettati i contatti principali vanno da 20 a 250 A. La bobina dell'elettromagnete di KP i contattori sono progettati per tensioni di 48, 110 e 220 V.

Oltre ai contatti principali utilizzati per chiudere e aprire i circuiti di potenza, i contattori sono dotati di contatti ausiliari per circuiti di segnalazione e altri scopi. I contattori KP consentono fino a 240-1200 commutazioni all'ora.

Le bobine di commutazione dei contattori CA sono prodotte per tensioni di 127, 220, 380 e 500 V a una frequenza di 50 Hz. Questi contattori consentono fino a 120 commutazioni all'ora.

Per avviare i motori, cambiare il senso di rotazione, controllare la velocità e fermare i motori, dispositivi chiamati controllori. In base al tipo di controller di corrente sono DC e AC. I controllori i cui contatti sono inclusi nei circuiti di potenza dei motori elettrici sono chiamati controllori di potenza.

Esistono controller che chiudono i circuiti di controllo dei dispositivi elettromagnetici e, a loro volta, chiudono e aprono i circuiti di alimentazione dei motori elettrici. Tali controllori sono chiamati controllori.

A seconda del design del sistema di contatto, i controller possono essere tamburo e camma. L'albero del controller del tamburo viene ruotato tramite il volantino. Piastre di rame sotto forma di segmenti ed essendo contatti mobili sono fissate sull'albero isolato da esso. I segmenti possono essere di diverse lunghezze e sfalsati l'uno rispetto all'altro di un certo angolo. Alcuni segmenti sono elettricamente interconnessi. Quando l'albero del controller viene ruotato, i suoi segmenti sono collegati a contatti fissi montati su una barra isolante. I contatti fissi a dito terminano in "cracker" facilmente sostituibili. A seguito del collegamento dei contatti mobili con quelli fissi, si effettuano le necessarie commutazioni nel circuito controllato.

Il controller a camme è costituito da un insieme di elementi di contatto che si chiudono e si aprono con l'aiuto di rondelle a camme posizionate sull'albero del controller. Per un migliore spegnimento dell'arco, ogni elemento di contatto del controller è dotato di un dispositivo di spegnimento dell'arco individuale. I contatti dei controller a camme hanno un potere di interruzione maggiore rispetto ai contatti dei controller a tamburo e consentono un numero maggiore di commutazioni (fino a 600 commutazioni all'ora).

86. METODI DI AVVIAMENTO DEI MOTORI

I motori asincroni possono essere avviati a piena tensione (avviamento diretto) ea tensione ridotta. L'avvio diretto viene eseguito utilizzando interruttori a coltello, interruttori, interruttori batch, avviatori magnetici, contattori e controller. Durante l'avviamento diretto, al motore viene applicata la piena tensione di rete. Lo svantaggio di questo metodo di avviamento sono le grandi correnti di avviamento, che sono 27 volte maggiori delle correnti nominali dei motori.

Il più semplice è l'avviamento diretto di motori asincroni con rotore a gabbia di scoiattolo. L'avvio e l'arresto di tali motori vengono eseguiti accendendo o spegnendo l'interruttore a coltello, ecc. L'avvio di motori asincroni con un rotore di fase viene effettuato utilizzando un reostato di avviamento collegato all'avvolgimento del rotore tramite anelli e spazzole. Prima di avviare il motore, è possibile assicurarsi che la resistenza del reostato di avviamento sia completamente inserita. Al termine dell'avviamento, il reostato viene rimosso senza problemi e cortocircuitato. La presenza di resistenza attiva nel circuito del rotore all'avviamento porta ad una diminuzione della corrente di spunto e ad un aumento della coppia di spunto. Per ridurre le correnti di avviamento dei motori asincroni, la tensione fornita all'avvolgimento dello statore del motore viene ridotta.

È inoltre possibile ridurre la tensione fornita al motore, e allo stesso tempo ridurre la corrente di avviamento del motore, utilizzando un autotrasformatore. All'avvio, gli autotrasformatori riducono la tensione del 50-80%.

Uno dei principali svantaggi dei motori sincroni è la difficoltà di avviarli. L'avviamento dei motori sincroni può essere effettuato mediante un motorino di avviamento ausiliario o mediante un avviamento asincrono.

Se il rotore di un motore sincrono con poli eccitati viene fatto ruotare da un altro motore ausiliario alla velocità di rotazione del campo dello statore, i poli magnetici dello statore, interagendo con i poli del rotore, faranno ruotare ulteriormente il rotore in modo indipendente senza aiuto esterno, a tempo con il campo statorico, cioè in modo sincrono. Per l'avviamento, il numero di coppie di poli del motore asincrono deve essere inferiore al numero di coppie di poli del motore sincrono, perché in queste condizioni il motore asincrono ausiliario può far ruotare il rotore del motore sincrono fino alla velocità sincrona.

La complessità dell'avviamento e la necessità di un motore ausiliario sono svantaggi significativi di questo metodo di avviamento dei motori sincroni. Pertanto, è usato raramente al momento.

Per implementare l'avviamento asincrono di un motore sincrono, nelle espansioni polari dei poli del rotore viene posizionato un ulteriore avvolgimento in cortocircuito. Poiché durante l'avviamento viene indotta una grande EMF nell'avvolgimento di eccitazione del motore, per motivi di sicurezza viene chiuso da un interruttore a coltello alla resistenza.

Quando la tensione di una rete trifase viene attivata nell'avvolgimento dello statore di un motore sincrono, si genera un campo magnetico rotante che, attraversando l'avvolgimento cortocircuitato incorporato nelle espansioni polari del rotore, induce correnti al suo interno. Queste correnti, interagendo con il campo rotante dello statore, faranno ruotare il rotore. Quando il rotore raggiunge un numero di giri maggiore, l'interruttore commuta in modo che l'avvolgimento del rotore sia collegato alla rete di tensione CC. Lo svantaggio dell'avvio asincrono è una grande corrente di avviamento (5-7 volte la corrente operativa).

87. CONTROLLO DELLA VELOCITÀ DI ROTAZIONE DEI MOTORI ELETTRICI

La velocità di rotazione dei motori elettrici CC può essere controllata modificando la tensione fornita al motore o modificando l'ampiezza del flusso magnetico del motore.

La modifica dell'entità della tensione fornita all'indotto del motore può essere effettuata collegando una resistenza di controllo variabile in serie all'indotto del motore o collegando gli avvolgimenti degli indotti di più motori in serie e in parallelo. Il metodo più comunemente utilizzato per il controllo della velocità consiste nel modificare l'ampiezza del flusso magnetico del motore. A tale scopo, nel circuito dell'avvolgimento di eccitazione del motore è incluso un reostato, che consente di effettuare una regolazione ampia e regolare della velocità del motore.

La velocità di rotazione dei motori asincroni è controllata da uno dei seguenti metodi.

1. Modifica del numero di poli del motore. Per poter variare il numero di coppie di poli del motore, lo statore è realizzato o con due avvolgimenti indipendenti, oppure con un avvolgimento ricollegabile ad un diverso numero di poli. La riconnessione degli avvolgimenti dello statore viene effettuata utilizzando un apparato speciale - controllore. Con questo metodo, la regolazione del regime del motore viene eseguita a salti. La regolazione della velocità del motore variando il numero di poli può essere effettuata solo con motori asincroni con rotore a gabbia. Il rotore cortocircuitato può essere azionato con un numero qualsiasi di poli dello statore. Al contrario, il rotore di un motore con avvolgimento di fase può funzionare normalmente solo con un certo numero di poli dello statore. In caso contrario, sarebbe necessario commutare anche l'avvolgimento del rotore, il che introdurrebbe grandi complicazioni nel circuito del motore.

2. Modificare la frequenza della corrente alternata. Con questo metodo, la frequenza della corrente alternata fornita all'avvolgimento dello statore del motore viene modificata utilizzando un generatore speciale. È utile regolare la variazione di frequenza corrente quando c'è un grande gruppo di motori che richiedono un controllo regolare della velocità congiunto.

3. Introduzione di resistenza nel circuito del rotore. Durante il funzionamento del motore, la resistenza del reostato di regolazione viene introdotta nel circuito di avvolgimento del rotore. Questo metodo è applicabile solo ai motori con rotore di fase.

4. Controllo con induttanze di saturazione. Un'induttanza di saturazione monofase ha due avvolgimenti: uno è collegato al circuito CA, l'altro, chiamato avvolgimento di controllo o polarizzazione, è collegato a una sorgente di tensione CC (raddrizzatore). Con un aumento della corrente nell'avvolgimento di controllo, il sistema magnetico dell'induttore si satura e la resistenza induttiva dell'avvolgimento CA diminuisce. Includendo induttanze in ogni fase di un motore asincrono e variando la corrente dell'avvolgimento di comando, è possibile modificare la resistenza nel circuito statorico del motore e, di conseguenza, la velocità di rotazione del motore stesso.

Per avviare motori CC ad alta potenza, nonché per regolare ampiamente la velocità di rotazione dei motori, viene utilizzato lo schema "generatore - motore", abbreviato in G - D. Il sistema G - D consente di eseguire operazioni soft avviamento e ampia regolazione del regime motore.

88. BATTERIE

Batterie ricaricabili sono dotati di batterie al piombo o alcaline, di cui le prime sono le più utilizzate.

La batteria delle batterie stazionarie al piombo è composta da batterie di tipo C (stazionarie per le modalità a scarica lunga) o SC (stazionarie per le modalità a scarica breve). Le batterie SK differiscono dalle batterie di tipo C con poli di collegamento rinforzati. I numeri dopo la designazione della lettera di queste batterie ne caratterizzano la capacità, la scarica e le correnti di carica.

Le batterie di tipo C sono progettate per scaricarsi da 3 a 10 ore; la corrente di scarica massima consentita per 3 ore è 9 A. Le batterie SC possono essere scaricate in un periodo più breve, fino a 1 ora; la corrente di scarica massima consentita per un'ora è 18,5 A.

La corrente di scarica a breve termine (per non più di 5 s) non deve superare il 250% della corrente di scarica di tre ore per le batterie di tipo C e il 250% della corrente di scarica di un'ora per le batterie di tipo SK.

Durante la carica è consentita la corrente massima di carica: 9 A per batterie di tipo C e 11 A per batterie di tipo CK.

Il valore di capacità indicato per ciascun tipo di batteria varia ampiamente a seconda dell'entità della corrente di scarica e della modalità di scarica.

Per gli accumulatori stazionari vengono utilizzate batterie al piombo di tipo corazzato SP e SPK (corazzato stazionario). Per le batterie portatili vengono utilizzate batterie al piombo del tipo ST (starter).

Le batterie alcaline sono dotate di batterie al ferro-nichel del tipo ZhN o TGN.

Il numero della batteria corrisponde alla sua capacità nominale in amperora.

Le batterie vengono caricate con la corrente della modalità di carica normale per 6-7 ore.È consentita una carica accelerata nella seguente modalità: prima per 2,5 ore con una corrente doppia rispetto al valore normale, quindi per 2 ore con una corrente di normale valore.

Per le batterie portatili vengono utilizzate batterie al ferro-nichel 10 ZhN con una tensione di 12,5 V; 4 ZhN-5 V; 5 ZhN-6,5 V.

Durante il funzionamento a batteria, la tensione di ciascuna cella diminuisce. Se non si prendono misure speciali, anche la tensione del bus della batteria diminuirà. A questo proposito, essendo la batteria scarica, oltre alle batterie funzionanti devono essere collegati nuovi elementi. Pertanto, la batteria è composta da un numero di celle costantemente funzionanti e da diverse celle che vengono accese e spente secondo necessità. L'apparato mediante il quale viene modificato il numero di celle della batteria attive è chiamato interruttore elementare.

Nelle centrali elettriche e nelle sottostazioni sono disponibili i seguenti tipi di carichi CC:

1) spie di segnalazione e controllo a carico costante su quadri di comando, alcuni relè di protezione e automazione, ecc.;

2) carico temporaneo - si verifica in caso di interruzione di corrente della sottostazione con corrente trifase alternata; è costituito da lampade per illuminazione di emergenza e motori a corrente continua;

3) carico a breve termine - meccanismi per l'accensione di attuatori elettrici di interruttori, parte di protezione e relè di automazione.

89. MODALITÀ DI FUNZIONAMENTO A BATTERIA

Esistono due modalità di funzionamento a batteria: carica-scarica и ricarica costante.

La modalità carica-scarica è caratterizzata dal fatto che dopo la carica della batteria, il caricabatteria si spegne e la batteria fornisce un carico costante (lampade di allarme, dispositivi di comando), un carico periodicamente di breve durata (azionamenti di interruttori elettromagnetici) e un carico di emergenza. La batteria, scaricata ad una certa tensione, viene ricollegata all'unità di ricarica, la quale, mentre carica la batteria, alimenta contemporaneamente il carico.

Per una batteria funzionante secondo il metodo carica-scarica, una volta ogni tre mesi viene eseguita una carica di equalizzazione (ricarica).

La modalità di carica costante è la seguente. La batteria viene continuamente ricaricata dal sub-caricatore, e quindi si trova in qualsiasi momento in uno stato di piena carica. I carichi d'urto che si verificano nella rete CC vengono percepiti dalla batteria. Una volta al mese, la batteria che funziona in modalità di carica di mantenimento deve essere caricata dall'unità di ricarica.

Per implementare la modalità carica-scarica, viene utilizzato un circuito batteria con interruttore a doppio elemento. Un motore-generatore viene utilizzato come unità di ricarica. Il generatore è collegato ai pneumatici tramite fusibili, un interruttore di massima corrente con un relè di corrente inversa, un amperometro e un interruttore a due posizioni.

La macchina massima protegge il generatore dal sovraccarico.

Il relè di corrente inversa spegne il generatore se la sua EMF diventa inferiore alla tensione sui bus della batteria. Ciò può accadere quando la velocità del generatore viene ridotta, la tensione CA che alimenta il motore viene interrotta e per altri motivi. Se il generatore non viene spento in questo momento, passando alla modalità motore, diventerà un carico sulla batteria.

Il numero totale di batterie collegate alla batteria deve essere tale che anche le celle scariche alla tensione minima devono fornire la tensione nominale sulle sbarre della batteria.

Se il carico di rete è trascurabile, l'unità può fornire corrente alla rete e contemporaneamente caricare la batteria. Tuttavia, alla fine della carica, il generatore fornisce una tensione maggiore di quella a cui normalmente opera la rete. Se includi un reostato nella rete, a causa della caduta di tensione in esso, puoi ridurre la tensione. Ma questo è antieconomico. Una semplice soluzione al problema del funzionamento simultaneo del generatore sulla rete e sulla carica consiste nell'utilizzare un interruttore a due elementi nel circuito. Quest'ultimo permette di sfruttare la differenza tra la tensione del generatore e la tensione di rete per caricare un gruppo di batterie collegate all'interruttore.

Le batterie si trovano in una stanza speciale nel seminterrato o al primo piano di una centrale elettrica o di una sottostazione. Il locale deve essere asciutto, non soggetto a sbalzi di temperatura, scuotimenti o vibrazioni. L'ingresso alla stanza avviene con un vestibolo. La temperatura della stanza al livello degli accumulatori non deve essere inferiore a 10o. La stanza della batteria deve avere una ventilazione di alimentazione e di scarico.

90. SICUREZZA NEGLI APPARECCHI ELETTRICI

Il lavoro sugli impianti elettrici è completamente sicuro se il personale operativo osserva rigorosamente le regole di funzionamento tecnico e le regole di sicurezza. Per fare ciò, le persone che hanno studiato le regole di sicurezza e hanno ricevuto certificati di test di conoscenza con l'assegnazione di un gruppo di qualificazione possono lavorare sugli impianti elettrici.

Equipaggiamento di protezione di base vengono chiamati dispositivi, il cui isolamento resiste in modo affidabile alla tensione di esercizio dell'installazione e con i quali è consentito toccare parti in tensione sotto tensione.

I principali dispositivi di protezione isolanti negli impianti di qualsiasi tensione includono barre isolanti per la commutazione operativa, per effettuare misurazioni, per l'applicazione di messa a terra e altri scopi e morsetti isolanti per fusibili e in installazioni a bassa tensione, inoltre guanti e guanti dielettrici e un installatore strumento con impugnature isolanti.

Ulteriori mezzi di protezione sono tali dispositivi che da soli non possono garantire la sicurezza contro le scosse elettriche e servono a migliorare l'effetto dei principali mezzi di protezione e servono anche a proteggere dalla tensione di contatto, dalla tensione di gradino e dalle ustioni da arco elettrico. Ulteriori mezzi isolanti protettivi nelle installazioni ad alta tensione includono: guanti e guanti dielettrici, stivali dielettrici, tappetini e cingoli in gomma, supporti isolanti. Per tutte le operazioni ad alta tensione, i dispositivi di protezione primaria devono essere utilizzati insieme a quelli secondari. I dispositivi di protezione, sia in uso che in magazzino, devono essere numerati e il loro stato deve essere verificato in determinati momenti.

I lavori di riparazione e installazione devono essere eseguiti con l'apparecchiatura spenta. Se l'installazione non può essere spenta per un motivo o per l'altro, quando si lavora sotto tensione, è necessario osservare le norme di sicurezza utilizzando dispositivi di protezione (tamponi isolanti, guanti di gomma, occhiali protettivi, ecc.).

Quando si lavora ad alta tensione, è necessario osservare le seguenti precauzioni:

1) il lavoro deve essere svolto solo da un gruppo di lavoratori (almeno due), in modo che uno di loro possa prestare assistenza all'altro in caso di incidente;

2) i lavoratori devono essere ben isolati dal suolo;

3) durante lo svolgimento del lavoro, i lavoratori non devono toccare persone non isolate, nonché parti metalliche;

4) prima di iniziare il lavoro, tutti i dispositivi di protezione devono essere attentamente controllati dagli stessi lavoratori.

Prima di iniziare i lavori negli impianti e nelle apparecchiature ad alta tensione, è necessario accertarsi, mediante strumenti adeguati, che non sia presente tensione nella parte dell'impianto in cui verranno eseguiti i lavori. Quindi è necessario scaricare le gomme di raccolta, i cavi dei trasformatori, controllarli per un cortocircuito, chiuderli e metterli a terra in modo sicuro.

Autore: Kosareva O.A.

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