СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКИЙ ПРОФІЛЬ: Елт 24 25-26

05.05.2026р.

Тема програми № 5. Електричні машини змінного струму

Тема уроку № 23. Будова та принцип дії електричних машин змінного струму

Працюємо з підручником:

А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l. Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки. Київ «Форум» 2002. Стор. 202-206.

https://youtu.be/6g1MfD1Cfuw?si=B-QTigOfBAF-nCy0

https://youtu.be/QbJb_2Kg2T4?si=jdkMaI9hfy3rseIB

Опрацювати матеріал:

1. Принцип дії електричних машин змінного струму.

2. Будова електричних машин змінного струму.

3. Типи електричних машин.

Д.З. Оформити зошит. Відповісти на питання:

1. Що називають асинхронним двигуном?

2. Де застосовуються асинхронні двигуни?

3. Який принцип дії асинхронного двигуна?

4. Опишіть будову асинхронного двигуна.

5. Що являється характеристикою асинхронного режиму?

6. Чим відрізняється асинхронні двигуни з короткозамкненим і фазним ротором?

7. Як з’єднуються обмотки двигуна?

Загальні відомості про електричні машини змінного струму

Машини змінного струму по кількості фаз діляться на:

- багатофазні

- однофазні

Найбільш часто машини виконуються трифазними у відповідності з застосуванням в енергетичних установках системою трифазного струму. Для автоматичних пристрої і для побутових електроприборів застосовуються двофазні машини, а інколи і однофазні.

В основі роботи багатофазних машин і деяких однофазних лежить створення обертаючого магнітного поля.

Кожна машина змінного струму, так як і машина постійного струму, складається із статора і ротора.

По способу створення магнітного поля статора і ротора машини змінного струму діляться на двигуни:

- асинхронні

- синхронні

Електричні машини змінного струму (двигуни та генератори) перетворюють енергію за принципом електромагнітної індукції, складаючись із нерухомого статора та обертового ротора.

Статор створює обертове магнітне поле, яке взаємодіє з ротором, забезпечуючи або перетворення механічної енергії в електричну (генератор), або навпаки (двигун).

Основна будова:

- Статор (статорна обмотка): Нерухома частина, що складається з корпусу (станини) та шихтованого осердя з обмоткою, у якій виникає магнітне поле.

- Ротор (роторна обмотка): Обертова частина, яка розташована всередині статора.

Буває двох основних типів:

- Короткозамкнений (типу "біляча клітка"): Використовується в асинхронних двигунах.

- Явнополюсний або неявнополюсний (з обмоткою збудження): Використовується в синхронних машинах.

- Контактні кільця та щітки: Використовуються в синхронних машинах для живлення обмотки збудження ротора постійним струмом.

Принцип дії:

1. Створення магнітного поля: Трифазна система змінного струму, що протікає по обмотках статора, створює магнітне поле, яке обертається з частотою n₁.

2. Взаємодія (Асинхронний режим): Обертове поле статора перетинає провідники ротора, індукуючи в них струм. Взаємодія струму ротора з полем статора створює обертовий момент, і ротор обертається слідом за полем, але з меншою швидкістю (n₂ < n₁).

3. Взаємодія (Синхронний режим): Ротор збуджується постійним струмом і обертається синхронно з магнітним полем статора (n₂ = n₁).

Типи машин:

- Асинхронні: Найпоширеніші, прості за конструкцією, ротор обертається повільніше магнітного поля.

- Синхронні: Ротор обертається з частотою магнітного поля, використовуються як генератори на електростанціях або потужні двигуни. Принцип дії генератора: Механічна енергія обертає ротор (індуктор), магнітне поле якого перетинає обмотки статора (якоря), індукуючи в них змінну ЕРС (електрорушійну силу).

Електричними машинами змінного струму називаються машини, у яких застосовується змінний струм. За допомогою системи змінних струмів, що протікають в обмотках, в електричних машинах змінного струму створюється магнітне поле, що обертається.

За принципом дії електричні машини змінного струму поділяються на такі: асинхронні машини, в яких швидкість обертання ротора відрізняється від швидкості обертання магнітного поля;

синхронні машини, в яких швидкість обертання ротора однакова зі швидкістю обертання магнітного поля.

За призначенням електричні машини змінного струму — це: електричні генератори; електричні двигуни.

На практиці широко застосовуються як синхронні генератори, так і синхронні двигуни, в той час як асинхронні машини використовують в основному як асинхронні двигуни.

Застосування асинхронних двигунів. Асинхронний двигун має такі позитивні якості, як нескладна технологія виготовлення, простота в експлуатації, висока надійність і здатність до перевантаження, відсутність іскріння. Завдяки цим якостям асинхронний двигун знайшов широке застосування у промисловості для приводу станків і механізмів, а також у сільськогосподарських машинах різного призначення.

Однак керування частотою обертання асинхронного двигуна у широкому діапазоні значно складніше, ніж, наприклад, у двигуні постійного струму. Це обмежує застосування асинхронного двигуна у тих випадках, Коли необхідно змінювати частоту обертання в широких межах за заданим законом, наприклад, у різних пристроях автоматики.

Проте слід зазначити, що останнім часом, у зв’язку з бурхливим розвитком силової електроніки, з появою потужних напівпровідникових транзисторів і тиристорів, параметри яких постійно поліпшуються, розширюється застосування асинхронних двигунів з частотним керуванням швидкості обертання.

Асинхронні двигуни поступово витісняють двигуни постійного струму, особливо у тих випадках, де іскріння недопустиме, наприклад у нафтовій, газовій, хімічній промисловості.

Будова і принцип дії асинхронних двигунів

Асинхронний двигун складається з двох основних частин: нерухомого статора і рухомого ротора, які розділені повітряним зазором.

За конструкцією ротора двигуни поділяються на два основні типи: з короткозамкненим та фазним ротором. Обидва типи мають однакову конструкцію статора.

Конструкцію асинхронного двигуна з короткозамкнененим ротором наведено на рис. 1. У корпусі І , виконаному у вигляді сталевої вальцьованої труби або алюмінієвої відливки із зовнішніми ребрами, встановлено магніторовід статора 2, який набирається з листів електротехнічної сталі товщиною 0,5 — 0,35 мм, ізольованих один від одного лаком. У пази магнітопроводу (рис. 2, а), виконані під час штампування листів, вкладається обмотка статора З, що утворюється з трьох фазних обмоток: C1 — С4 (фаза А), С2 — С5 (фаза В), С3 — С6 (фаза С). Початки C1 С2, С3 і кінці С4,С5, С6 фазних обмоток виведені в клемну коробку 4, закріплену на корпусі. Фазні обмотки статора з’єднуються зіркою або трикутником (рис. 2).

Рис.1. Асинхронний двигун з короткозамкненим ротором

Рис. 2. Принципова схема асинхронного двигуна з

короткозамкненим ротором-(а); з’єднання зіркою або

трикутником обмотки статора-(б).

Ротор (рис. 1) має магнітопровід 5, набраний з листів електротехнічної сталі товщиною 0,5 — 0,35 мм з виштампованими в них пазами, в яких розміщено стержні б короткозамкненої обмотки ротора. Стержні на кінцях жорстко з’єднані між собою торцевими кільцями 7. Як правило, обмотка ротора виконується з алюмінію, його заливають у розплавленому стані в пази осердя з одночасною відливкою торцевих кілець з вентиляційними лопатками 8. Магнітопровід ротора з обмоткою кріпиться на валу 9 і встановлюється в підшипниках 10 і 11, розміщених в підшипникових щитах 12 і 13. Для охолодження двигуна використовується вентилятор 14, закритий кожухом 15. Виготовлення обмотки ротора методом заливки дає змогу виконати стержні ротора практично будь-якої потрібної форми для асинхронних двигунів потужністю до кількох сотень кіловат (рис. 3).

Асинхронний двигун з фазним ротором відрізняється від асинхронного двигуна з короткозамкненим ротором тільки конструкцією самого ротора. Фазний ротор має трифазну обмотку, що виконується аналогічно обмотці, статора з тією самою кількістю полюсів. Обмотку ротора з’єднують за схемою зірки, три кінці якої виводять на три контактних кільця, жорстко закріплених на валу ротора (рис. 4). За допомогою металографітових щіток, які ковзають по контактним кільцям, до ротора приєднується пусковий або пускорегулювальний реостат Rn, тобто в кожну обмотку ротора вмикається додатковий фазний опір.

Трифазні двигуни малої і середньої потужності виготовляють на дві номінальні напруги: 220/127, 380/220, 600/380 В, відношення між якими становить . При лінійних напругах, зазначених в чисельниках, фазні обмотки статора з’єднують зіркою, а якщо ці напруги відповідають знаменнику, — трикутником. В обох випадках напруга на фазній обмотці і струми в ній будуть однаковими.

Рис. 3. Короткозамкнений ротор-(а); форма пазів ротора-(б).

Рис. 4. Ротор з фазною обмоткою ротора-(а);

зміна опору фазної обмотки робота за допомогою

регулювального реостата-(б).

Принцип дії асинхронного двигуна ґрунтується на утворенні обертового магнітного поля струмами (як правило, трифазними), зсунутими у часі один відносно одного, що проходять в обмотках статора (рис. 2, а), зміщених одна відносно одної у просторі. Обертаючись у просторі, основне магнітне поле наводить ЕРС у провідниках обмотки статора і ротора. ЕРС, наведена в обмотках статора, спрямована таким чином, що компенсує прикладену напругу мережі і обмежує струм. Під дією ЕРС, наведеної в обмотках ротора, у провідниках цієї обмотки проходить струм. Провідники ротора зі струмом знаходяться в обертовому основному магнітному полі і на них діє сила Ампера. Сумарний момент сил F Ампера всіх провідників приводить ротор у рух, долаючи момент навантаження. В асинхронних двигунах ротор обертається з меншою швидкістю, ніж основне магнітне поле.

Асинхронність руху ротора і поля є принциповою ознакою, притаманною асинхронним двигунам. Довести це можна від супротивного. Припустимо, що ротор обертається синхронно, тобто має однакову швидкість з магнітним полем. Тоді магнітне поле відносно ротора нерухоме, і тому в провідниках ротора не наводиться електрорушійних сил. Струми у провідниках ротора не проходять, оскільки причина їх виникнення — електрорушійна сила. Електромагнітний момент, зумовлений силами Ампера, також дорівнює нулю. Під дією сил тертя і моменту навантаження ротор гальмується, виходить від синхронізму і відстає від магнітного поля. Отже, якщо навіть припустити, що ротор знаходиться у стані синхронізму, то виявляється, що цей стан нестійкий і ротор обов’язково переходить у стійкий стан асинхронізму. Характеристикою асинхронного режиму є ковзання. Ковзанням називають відносну різницю між кутовою швидкістю магнітного поля Ω₁ та кутовою швидкістю ротора Ω₂і позначають літерою s:

Якщо обертальний рух ротора і магнітного поля визначається частотою обертання ротора п₂ і поля п₁, то ковзання « визначають за формулою

Як випливає з двох останніх формул, ковзання — це відносна величина, яку виражають або у частках одиниці, або у відсотках.

04.05.2026р.

Тема програми № 4. Електричні та радіотехнічні вимірювання. Електровимірювальні прилади

Тема уроку № 22. Схеми включення амперметра, вольтметра і лічильника.

Працюємо з підручником:

А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l. Поворознюк Електротехніка з основами промислової електроніки. Київ «Форум» 2002.

https://youtu.be/BcHeZ_pnMLY?si=-e9wgV2z_BgRUDXA

https://docs.edpro.ua/labs-e/eksperimenti/elektrichne-kolo/proste-elektrichne-kolo-z-ampermetrom-ta-voltmetrom

https://youtu.be/6LWEcPVZqvQ?si=_-hlIBpChBlkcEKy

https://youtu.be/6Ce_aGFsxJY?si=oeR0o4Oh-mYulCcL

Опрацювати матеріал:

1. Вимірювання сили струму.

2. Вимірювання напруги.

3. Вимірювання потужності та енергії

Д.З. Оформити конспект. Дати відповідь на питання:

1. Як поділяють електровимірювальні прилади?

2. Опишіть будову ЕВП?

3. Де використовують електродинамічні прилади?

1. Який принцип роботи електродинамічного ватметра.

2. Опишіть прилади для вимірювання сили струму та правила їх вмикання.

3. Опишіть прилади для вимірювання напруги та правила їх вмикання.

4. Навіщо призначенні комбіновані прилади при вимірюванні електричних величин.

5. Чим та яким чином можна виміряти опір.

6. Намалюйте схему включення однофазного лічильника.

7. Намалюйте схему включення трифазного лічильника.

8. Опишіть основні правила безпеки при вимірюванні електричних величин.

За призначенням електровимірювальні прилади поділяють на:

а) Прилади для вимірювання сили струму:

амперметри (А), міліамперметри (мА), мікроамперметри (мкА) і гальванометри (G), шкали яких проградуйовані у відповідних одиницях. На пристроях для комутації (клеми, гнізда, перемикачі границь вимірювання) вказані верхні межі вимірювання при відповідній комутації. Межі вимірювання розширюють за допомогою шунтів - спеціальних резисторів, які вмикаються паралельно до приладу.

б) Прилади для вимірювання напруги:

вольтметри, мілівольтметри, кіловольтметри, а також гальванометри. На шкалі позначають одиниці вимірювання чи назву приладу. Межі вимірювання розширюють за допомогою резисторів, які підключають послідовно; верхні межі вимірюваної величини вказані на пристроях для комутації.

На всіх приладах, перерахованих в пунктах а) та б), вказані і значення величини їх опору, а на гальванометрах також ціна поділки і чутливість.

в) Прилади для вимірювання потужності — ватметри - виконують множення сили струму на напругу. Ці прилади, як правило, електродинамічної системи.

Комбіновані прилади, призначені для одночасного вимірювання сили струму, напруги й опору, є приладами магнітоелектричної системи, мають декілька шкал і додаткових опорів, систему комутації, джерела струму та випрямляч.

Крім перерахованих приладів, які вимірюють основні електричні величини, існує ще ряд приладів спеціального призначення - частотоміри, фазоміри, вимірювачі ємності, індуктивності, добротності контурів тощо.

Вимірювання опорів. Опір будь-якого провідника найбільш просто можна визначити за допомогою амперметра і вольтметра:R = U/I При цьому вважають, що струм, який йде через вольтметр, малий порівняно зі струмом у провіднику. Точність такої методики визначається точністю амперметра і вольтметра і, як правило, не дуже велика 7 - 10 відсотків.

Для більш точних вимірювань опорів використовують метод порівнянь невідомого опору з відомим.

Амперметр включається в електричне коло послідовно зі споживачем для вимірювання струму, вольтметр — паралельно до навантаження для вимірювання напруги, а лічильник електроенергії — за схемою з послідовним підключенням струмової котушки та паралельним — котушки напруги (зазвичай 4 клеми: вхід/вихід фази, вхід/вихід нуля). (1, 2, 3, 4, 5).

Основні схеми включення

- Амперметр (послідовно):

- Вмикається в розрив кола перед або після споживача.

- Струм споживача проходить крізь амперметр.

- Важливо: Має дуже низький внутрішній опір, щоб не впливати на роботу кола.

- Вольтметр (паралельно):

- Підключається до двох точок кола, між якими потрібно виміряти напругу (наприклад, паралельно споживачу).

- Важливо: Має дуже високий внутрішній опір, щоб мінімальний струм проходив крізь сам прилад.

Підключення лічильників електроенергії (одно- або трифазних) здійснюється переважно прямоточним методом. Основний принцип: фаза та нуль заходять зверху (вхід), а виходять знизу (навантаження). Для безпеки використовують автоматичні вимикачі до лічильника. Висота встановлення — 1,4–1,7 м.

Основні схеми підключення:

Однофазний лічильник (220В): Зазвичай має 4 клеми:

Клема 1: Фаза (вхід від мережі).Клема 2: Фаза (вихід на споживачів).Клема 3: Нуль (вхід від мережі).Клема 4: Нуль (вихід на споживачів).

Лічильник електроенергії (пряме включення):

- Клема 1 (вхід): Фаза від джерела живлення, мережі.

- Клема 2 (вихід): Фаза, вихід до споживачів.

- Клема 3 (вхід): Нуль від джерела живлення, мережі.

- Клема 4 (вихід): Нуль, вихід до споживачів.

- Струмовий ланцюг вмикається послідовно, а ланцюг напруги — паралельно. (1, 2, 3, 4, 5).

Трифазний лічильник (380В) прямого включення:

Клеми 1, 3, 5: Вхід фаз A, B, C відповідно. Клеми 2, 4, 6: Вихід фаз A, B, C до навантаження. Клема 7, 8 (або інша за схемою): Вхід та вихід нейтралі (нуль).

Трифазний лічильник трансформаторного включення: Використовується для високих потужностей, потребує підключення трансформаторів струму до лічильника для обліку на вищих навантаженнях.

Важливі правила:

Безпека: Всі роботи виконуються лише при вимкненій напрузі!

Маркування: Вхідні проводи («вхід») зазвичай підключаються до непарних номерів клем (1, 3, 5, 7), а вихідні («вихід») — до парних (2, 4, 6, 8).

Герметичність: Якщо лічильник встановлюється на вулиці, він має знаходитися у спеціальному герметичному щиті.

Опломбування: Встановлення лічильника та опломбування має бути виконано представником обленерго.

Залежно від моделі, клеми можуть відрізнятися, тому завжди слід перевіряти схему на корпусі або в паспорті приладу

Схема підключення однофазного електролічильника полягає у з'єднанні фазового, нульового та заземлюючого проводів з відповідними клемами лічильника. Фазовий провід повинен бути підключений до фазової клеми, нульовий – до відповідної клеми нуля, а заземлюючий – до заземлюючої клеми.

Однофазний електролічильник підключається до електричної мережі за наступною схемою:

Важливо дотримуватися електробезпеки та правильної полярності підключення, щоб уникнути неправильної роботи лічильника та можливих аварійних ситуацій.

Схема прямого (безпосереднього) включення трифазного електролічильника:

Найчастіше такий метод монтажу використовується в побутових мережах для обліку електроенергії, де присутні потужні установки з номінальним струмом від 5 до 50 А, залежно від типу проводки (від 4 до 100 мм2). Робоча напруга тут, як правило, 380 В.

Загальні правила безпеки

Завжди дотримуйтесь полярності, якщо прилади постійного струму.
Ніколи не підключайте амперметр паралельно — це призведе до короткого замикання.
Ніколи не підключайте вольтметр послідовно — це може вивести його з ладу
Ніколи не підключайте амперметр до джерела живлення (без навантаження)

Амперметр розроблений так, щоб мати опір, близький до нуля, щоб не впливати на роботу електричного кола.

Коротке замикання: При паралельному підключенні (напряму до плюс і мінус джерела) струм через амперметр стає величезним (згідно з законом Ома (I = U/R), де (R) прямує до нуля). Цей надвисокий струм може миттєво перепалити вимірювальну котушку, пошкодити шунт або спалити запобіжник.

Просте електричне коло з амперметром та вольтметром

У досліді вчимося приєднувати у коло амперметр, для визначення сили струму, та вольтметр, для визначення різниці потенціалів на контактах елемента кола. Переконуємось, що сила струму та напруга у колі залежать від вихідних параметрів джерела живлення, кількості та параметрів споживачів електроенергії, а також характеру їхнього підключення.

Для проведення демонстраційного досліду краще використовувати два мультиметри, але оскільки в набір Amperia входить лише один — другий тимчасово можна використати з іншого набору.

Переконуємося, що:

для визначення сили струму в електричному колі, у нього послідовно вмикають амперметр;
для визначення різниці потенціалів на кінцях елемента електричного кола, паралельно до нього вмикають вольтметр;
сила струму та напруга у колі залежать від вихідних параметрів джерела живлення, кількості та параметрів споживачів електроенергії, а також характеру їхнього підключення.

Хід досліду:

1. Беремо необхідне для проведення досліду обладнання.

2. Складаємо електричне коло за схемою (якщо дослід проводиться лише з одним мультиметром — тоді спершу складаємо коло використовуючи мультиметр як амперметр, а потім модифікуємо коло використовуючи той самий мультиметр як вольтметр. Або як вольтметр можна використати блок живлення):

3. Розмикаємо вимикачем коло, вмикаємо джерело живлення, встановлюємо на ньому постійний струм з вихідною напругою 3 В. Вмикаємо мультиметри.

4. Замикаємо вимикач, тепер у колі є струм, про що свідчить світіння лампи розжарювання. Фіксуємо значення амперметра, який показує силу струму у колі, а також значення вольтметра, який показує різницю потенціалів на контактах лампи розжарювання.

5. Збільшуємо вихідну напругу на джерелі живлення до 5 В. Переконуємося, що значення на амперметрі та вольтметрі також збільшились, що вказує на зростання сили струму у колі, а також різниці потенціалів на контактах лампи.

6. Розмикаємо вимикач та приєднуємо у коло дві лампи розжарювання послідовно за схемою:

7. Замикаємо вимикач та фіксуємо як змінились покази амперметра та вольтметра у порівнянні з попереднім дослідом у зв’язку зі збільшенням кількості споживачів електроенергії.

8. Розмикаємо вимикач та з’єднуємо дві лампи розжарювання паралельно за схемою:

9. Замикаємо вимикач та фіксуємо як змінились покази амперметра та вольтметра у порівнянні з попереднім дослідом. Переконуємося, що зі зміною характеру підключення елементів кола покази амперметра та вольтметра також змінюються.

Відео досліду:

https://youtu.be/6LWEcPVZqvQ?si=_-hlIBpChBlkcEKy

Висновок:

Під час виконання досліду ми навчились приєднувати у коло амперметр, для визначення сили струму, та вольтметр, для визначення різниці потенціалів на контактах елемента кола. Також ми переконались, що сила струму та напруга у колі залежать від вихідних параметрів джерела живлення, кількості та параметрів споживачів електроенергії, а також характеру їхнього підключення.

01.05.2026р.

Тема № 3. Змінний струм та кола змінного струму.

Урок № 21. З’єднання обмоток генератора і споживача зіркою та трикутником. Фазна та лінійна напруга.

Працюємо з підручниками:

(Елт. I) Гуржій А. М.

Електротехніка та основи електроніки: підручник для здобувачів професійної (професійно-технічної) освіти / А. М. Гуржій, С. К. Мещанінов, А. Т. Нельга, В. М. Співак. – Київ : Літера ЛТД, 2020. – 288 с. Стор. 98-103.

(Елт. II) Електротехніка з основами промислової електроніки: підручник для учнів

професійно-технічних навчальних закладів /А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l. Поворознюк. - Київ «Форум» 2002. – 374с.

https://web.kpi.kharkov.ua/ze/wp-content/uploads/sites/146/2022/03/Lektsiya-3-Tryfazni-elektrychni-kola.pdf

https://studfile.net/preview/9694469/page:14/#39

Опрацювати матеріал.

1. Змінний струм.

2. Фазна та лінійна напруга.

3. З’єднання обмоток генератора і споживача зіркою та трикутником.

Д.З. Оформити конспект. Дати відповіді на питання:

1. Дайте визначення симетричної трифазної системи ЕРС?

2. Накресліть електричну незв’язану трифазну систему.

3. На який кут зсунуті фази в трифазній системі?

4. Опишіть як виконується з’єднання фаз зіркою.

5. Накресліть схему трифазного кола при з’єднанні генератора та приймачів зіркою.

6. Що називають фазною та лінійною напругою?

7. Чому дорівнюють лінійні та фазні струми при з’єднанні зіркою?

8. Переваги та недоліки чотирипровідної системи.

9. Накресліть схему трифазного кола при з’єднанні генератора та приймачів трикутником.

10. Як називається трифазна система, яка з’єднана трикутником?

11. Де застосовують з’єднання трикутником?

В сучасних умовах електроенергія виробляється, передається та розподіляється в основному як енергія трифазної системи синусоїдальний струмів. Симетрична трифазна система ЕРС являє собою сукупність трьох синусоїдальних ЕРС однакових амплітуди та частоти, зсунутих друг відносно друга по фазі на одну третину періоду, тобто на 120⁰. У порівнянні з однофазною трифазна система електричних кіл має важливі технікоекономічні переваги:

1. Трифазні генератори, електродвигуни та трансформатори на ту ж потужність компактніше, більш легкі (вимагають менше метала – міді та сталі) та дешевше у виготовленні.

2. Від одного джерела електроенергії в трифазній мережі можна отримати для споживачів дві напруги (лінійну та фазну)…

Джерелом трифазних ЕРС є трифазний (синхронний) генератор, який перетворює механічну енергію первинного двигуна в електроенергію. Принцип утворення ЕРС заснований на законі електромагнітної індукції. При обертанні ротора по годинниковій стрілці магнітні силові лінії, які замикаються крізь статор, перетинають активні ділянки фазних котушок статора і індукують в них синусоїдальні ЕРС, що зсунуті друг відносно друга по фазі на одну третину періоду, тобто на 120⁰.

Таку система ЕРС, в якій ЕРС окремих фаз рівні за значеннями і зсунуті відносно один одного на однаковий кут (120⁰ у трифазному колі), називають симетричною. З’єднавши кожну фазу генератора за допомогою дротів зі споживачем, що мають опори, Z_A, Z_В, Z_C отримаємо трифазне незв’язане електричне коло, кожне коло якого є однофазним (рис.1). За умовно позитивний напрям ЕРС і струмів в трифазному генераторі умовно приймається напрям від кінця фазної обмотки статора до її початку, а напруги в протилежному напрямку. В дротах мережі, які з’єднують початки обмоток, струми завжди зазначаються направленими до навантаження.

Рис.1 Електрична незв’язана трифазна система

Навантаження називають симетричним, якщо комплексні опори фаз споживачів однакові є рівними і модулі, і кути зсуву фаз. При симетричному навантаженні струми у фазах рівні I_A = _I_B = I_C.

При з’єднанні зіркою кінці фаз X, Y, Z об’єднують в одну спільну точку, яку називають нейтральною точкою (N – нейтрал генератора, n – нейтрал приймача). Провідник, який з’єднує ці дві нейтральні точки джерела і споживача, називають нейтральним. Крім того генератор з’єднаний зі споживачем за допомогою трьох провідників, що мають назву лінійні провідники. Таким чином утворюється чотирьохпровідна система, з’єднана в зірку з нейтральним проводом (рис.2). Зіркою з’єднані і фази генератора і фази приймача.

Рис.2. Схема трифазного кола при з’єднанні генератора

та приймачів зіркою

Розрізняють фазні та лінійні струми та напруги.

Фазна напруга – це напруга між початком і кінцем фази. На лінії – це напруга між лінійним і нейтральним провідниками: U_A, U_B, U_C. Це фазні напруги джерела. На джерелі фазні напруги приймають рівними ЕРС.

Лінійна напруга – це напруга між фазами або лінійними провідниками: U_AB, U_BC, U_CA . Струми у фазах називають фазними. Струми у лінійних провідниках називають лінійними: I_A, I_B, I_C . При з’єднанні зіркою фазна обмотка генератора, відповідний лінійний провід та фазний приймач утворюють ділянку з послідовним з’єднанням елементів, що дозволяє сформулювати важливий висновок, що при з’єднанні зіркою лінійні струми дорівнюють фазним: Iл = Iф. Так як струм у нейтральному проводі In завжди набагато менший за струми I_A, I_B, I_C в лінійних проводах чотирьохпровідної системи, то його поперечний перетин вибирають у два – три рази меншим, ніж у лінійних проводах.

З’єднання трифазного генератора зіркою дає можливість використовувати для споживачів любу з двох напруг – фазну або лінійну.

При несиметричному навантаженні і за відсутністю або відриву нейтрального провідника в трифазному колі, з’єднаному зіркою, являє собою аварійний режим. Він призводить до небажаних явищ: різкій несиметрії фазних напруг і струмів навантаження, тобто до порушення нормального режиму роботи приймачів. Тому в нейтральний провід чотирьохпровідної системи забороняється ставити вимикачі та запобіжники.

Нульовий провідник забезпечує рівність фазних напруг джерела і споживачів при несиметричному навантаженні. Таким чином, в чотирьохпровідній системі напруги навантаження практично симетричні, тому ця мережа, наприклад система 380/220 В застосовується для живлення освітлювального або змішаного 7 (освітлювального та силового) несиметричного навантаження. При повному розвантаженні однієї або двох фаз і навіть в аварійних режимах (при обриві одного або двох лінійних проводів) залишені під напругою однофазні приймачі будуть працювати нормально.

При з’єднанні трикутником фази джерела або споживача з’єднані у замкнений контур (рис.3). Таке замикання трьох фаз генератора не є їх замиканням накоротко, оскільки між миттєвими ЕРС наявні фазові зсуви 120⁰.

Рис.3. Схема трифазного кола при з’єднанні генератора

та приймачів трикутником

Трифазна система, яка з’єднана трикутником, є трьохпровідною. Електроенергія від генератора до приймачів передається трьома лінійними проводами. Спосіб з’єднання фаз споживача не залежить від способу з’єднання фаз джерела. Кожна фаза приймача вмикається між двома лінійними провідниками, відтак при з’єднанні трикутником лінійні напруги є фазними U_л= U_ф. Фазні струми за законом Ома можуть бути визначені через фазні напруги. Лінійні струми можна визначити за першим законом Кірхгофа.

З’єднання трикутником часто застосовують при несиметричному навантаженні.

З’єднання зіркою забезпечує меншу напругу на кожній окремій фазі, що є безпечнішим для споживачів, тоді як трикутник дозволяє подати вищу напругу на фази (потужність) без нейтрального дроту.

01.05.2026р.

Тема № 3. Змінний струм та кола змінного струму.

Урок № 20. Послідовне, паралельне та змішане з’єднання однотипних елементів кіл змінного струму.

Працюємо з підручниками:

(Елт. I) Гуржій А. М.

(Елт. II) Електротехніка з основами промислової електроніки: підручник для учнів професійно-технічних навчальних закладів /А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l. Поворознюк. - Київ «Форум» 2002. – 374с.

https://uahistory.co/pidruchniki/zasekina-physics-and-astronomy-11-class-2019-profile-level/31.php

https://youtu.be/rifq-lEgWjs?si=BeDH5Srog0xQlrHg

Опрацювати матеріал.

1. Послідовне з’єднання однотипних елементів кіл змінного струму

2. Паралельне з’єднання однотипних елементів кіл змінного струму

3. Змішане з’єднання однотипних елементів кіл змінного струму

Д.З. Оформити конспект. Дати відповіді на питання:

1. Дайте визначення змінного струму.

2. Що називають послідовним з’єднанням?

3. Що називають паралельним з’єднанням?

4. Що називають змішаним з’єднанням?

5. Чим характерне послідовне з’єднання однотипних елементів?

6. Чим характерне паралельне з’єднання однотипних елементів?

7. Які особливості з’єднань для кіл змінного струму?

Змінним називають струм, значення і напрямок якого змінюються через

рівні проміжки часу.

Змінний струм широко застосовують у різних галузях техніки, що пов’язано з легкістю його отримання і перетворення, а також простотою пристрою генераторів і двигунів змінного струму, надійністю їх роботи і зручністю експлуатації.

Великий внесок у розвиток теорії електричних кіл зробили німецькі фізики Густав Роберт Кірхгоф і Георг Симон Ом. Г. Кірхгоф розробив правила для розрахунку електричних кіл. Г. Ом вивів теоретично і підтвердив дослідами закон, що виражає зв’язок між силою струму в колі, напругою і опором. Його ім’ям названо одиницю електроопору (Ом).

З’єднання елементів (резисторів, котушок, конденсаторів) у колах змінного струму визначає загальний опір та розподіл напруг/струмів.

При послідовному з'єднанні струм однаковий (I = I₁= I₂), опори додаються (Z_total= Z + Z), а напруга ділиться.

Паралельне з'єднання передбачає однакову напругу (U = U₁= U₂), сумування струмів та розрахунок загального опору через провідність (1/Ztotal = 1/Z₁ + 1/Z₂).

Змішане — комбінація обох типів.

1. Послідовне з'єднання (однотипних елементів)

Елементи з'єднані по черзі, утворюючи один шлях для струму.

- Струм: однаковий у всіх елементах:

(I = I₁ = I₂=… = I_n ),

- Напруга: загальна напруга дорівнює сумі напруг на кожному елементі:

(U_total = U₁ = U₂= … = U_n)_,

- Опір (Імпеданс): Загальний комплексний опір дорівнює сумі комплексних опорів:

- Резистори: R_total = R₁+ R₂ + …

- Котушки (L): Х_L_._total₌X_L₁ + X_L₂+ … (індуктивні)

- Конденсатори (C): Х_C_.total = X_C₁ + X_C₂ + … (ємнісні)

2. Паралельне з'єднання (однотипних елементів)

Всі елементи підключені до двох спільних вузлів.

- Напруга: однакова на всіх елементах: U = U₁= U₂= …= Un.

- Струм: загальний струм дорівнює сумі струмів у кожній гілці: I_total=I₁+ I₂+ … In

Опір (Імпеданс): Загальна провідність дорівнює сумі провідностей гілок:

- Резистори: 1/R_total = 1/R₁+ 1R₂ + …

- Котушки (L): 1/Х_L_._total= X_L₁ + X _L₂ + …

- Конденсатори (C): 1/Х_C_.total = 1/X_C₁ +1/X_C₂ + …

Особливості для змінного струму:

- При послідовному з'єднанні елементів (К, L, C), загальний опір розраховується з урахуванням зсуву фаз:

- При паралельному з'єднанні різнотипних елементів зручніше використовувати провідності (активну G, індуктивну B_Lта ємнісну B_C), оскільки при такому з'єднанні загальна провідність кола дорівнює сумі провідностей окремих гілок.

Чому це зручніше: Простіший розрахунок: Загальна провідність (адмітанс) Y розраховується як сума:

Паралельні гілки: При паралельному з'єднанні напруга на всіх елементах однакова, тому струми в кожній гілці залежать безпосередньо від провідності цієї гілки (I = U * Y).

Складові: Провідність включає активну (що відповідає за втрати енергії) та реактивну (індуктивну та ємнісну) складові.

Використання провідностей дозволяє уникнути складних дробів, які виникають при розрахунку загального опору (R) паралельно з'єднаних різнотипних елементів.

28.04.2026р.

Тема № 2. Електромагнетизм.

Урок № 19. Електромагнетизм.

Працюємо з підручниками:

(Елт. I) Гуржій А. М.

(Елт. II) Електротехніка з основами промислової електроніки: підручник для учнів

професійно-технічних навчальних закладів /А.М. Гуржій, A.M. Сільвестров, H.l. Поворознюк. - Київ «Форум» 2002. – 374с.

https://lib.imzo.gov.ua/wa-data/public/site/books2/pidrucnnyky-posibnyky-profosvita/Litera-Elektrotehnika.pdf

https://agravt.blogspot.com/p/24-24-25_16.html

Опрацювати матеріал.

1. Електромагнетизм

2. Електромагнітна індукція

https://youtu.be/I_0JgW0_Tic?si=0rTLVD-RxFf1Kdgq

3. Правило лівої руки

https://youtu.be/uBI-M1M-9F4?si=GtAHoEEKS5nAOEqH

4. Правило свердлика

https://youtu.be/2WC5TAJPK0A?si=uXaTPnZLIck4ps2Z

5. Правило правої руки.

https://youtu.be/xrpvgF86lJs?si=WnJRM98ADMHoo4zK

6. Явище самоіндукції.

https://youtu.be/ADJKxWE-gps

Д.З. Оформити конспект. Дати відповіді на питання:

1. Дайте визначення магнітного поля.

2. Де використовують магнітне поле?

3. Як позначається напрямок струму.

4. Опишіть правило лівої руки.

5. Опишіть правила буравчика.

6. Сформулюйте правило правої руки.

7. Дайте визначення ЕРС.

8. Де використовують електромагнітна індукція?

9. Що називають самоіндукцією?

10. Навіщо виконують біфілярні котушки?

11. Де використовують теплову дію струмів Фуко?

Магнітне поле і його характеристики. Магнітне поле – це фізичне поле, яке здатне діяти на рухомі електричні заряди і тіла. Магнітне поле існує всередині будь-якого атома, живі організми створюють магнітні поля. Магнітне поле Землі захищає нас від потоків сонячної радіації.

У техніці, побуті, у різних пристроях застосовують штучні постійні магніти та електромагніти. Зв’язок між електричними і магнітними явищами було вперше встановлено в дослідах датського фізика Ганса Ерстеда, англійського вченого Джеймса Максвелла й ін. Досліди довели існування магнітного поля навколо будь-якого провідника зі струмом. На підставі цього було зроблено висновок, що немає більш характерної ознаки наявності струму у провіднику, ніж існування навколо нього магнітного поля. Цю властивість електричного струму використовують в електромагнітах, електромагнітних кранах, реле.

Графічно магнітне поле зображують магнітними силовими лініями, які мають напрямок із півночі N на південь S і ніколи не перетинаються (рис. 1).

Рис. 1. Приклад зображення магнітного поля

Якщо на невеликій відстані розташовані однойменні полюси магнітів, то вони відштовхуються, якщо різнойменні – притягуються.

Напрямок магнітного поля навколо провідника зі струмом визначають за правилом свердлика (рис. 2): якщо поступальний рух свердлика збігається з напрямом струму в провіднику, то обертальний рух покаже напрямок магнітного поля.

Рис. 2. Правило свердлика

Якщо провідник розташований так, що можна бачити тільки його поперечний переріз, то напрямок струму можна показати за допомогою стрілки.

Якщо струм у провіднику спрямований від нас, то в перерізі позначають хрестик, якщо до нас – точку (рис. 3).

Рис. 3. Зображення напрямку струму

Навколо провідника, у якому існує струм, завжди є магнітне поле, і навпаки, у замкнутому провіднику, що рухається в магнітному полі, виникає струм.

Можна стверджувати, що магнітне поле та електричний струм – взаємо пов’язані явища.

Розглянемо характеристики магнітного поля. Магнітна індукція B – векторна величина, яка характеризує магнітне поле і визначає силу, що діє на рухому заряджену частинку з боку магнітного поля.

Ця характеристика є основною характеристикою магнітного поля, оскільки визначає електромагнітну силу, а також ЕРС індукції у провіднику, що переміщується в магнітному полі.

Одиницею магнітної індукції є вебер, поділений на квадратний метр, або тесла (Тл):

[B] = 1 Вб/1 м2 = 1 Тл.

Абсолютна магнітна проникність середовища μa – величина, яка є коефіцієнтом, що відображає магнітні властивості середовища:

μa = μ0μr, (3.1)

де μ0 – магнітна стала, яка характеризує магнітні властивості вакууму:

μ0 = 4π 10–7 (Ом ∙ с) м .

Одиниця Ом-секунди (Ом · с) – генрі (Гн). Отже, [μ0] = Гн/м.

Величину μr називають відносною магнітною проникністю середовища. Вона показує, у скільки разів індукція поля, створеного струмом у певному середовищі, більше або менше, ніж у вакуумі, і є безрозмірною величиною.

Для більшості матеріалів проникність μr стала і близька до одиниці. Для феромагнітних матеріалів μr є функцією струму, що створює магнітне поле, і досягає великих значень (10–2–105).

Напруженість магнітного поля Н – векторна величина, яка не залежить від властивостей середовища і визначається тільки струмами у провідниках, що створюють магнітне поле.

Напруженість пов’язана з магнітною індукцією співвідношенням:

[H] = 1 A/1 м; B = μaH. (2)

Одиниця вимірювання напруженості магнітного поля – А/м.

Н є силовою характеристикою поля, яка враховує вплив струму і форми провідників. Напруженість магнітного поля і магнітна індукція величини векторні, їхній напрямок збігається з напрямком дотичної в будь-якій точці силової магнітної лінії (рис. 4).

Рис. 4. Зображення напрямку напруженості й магнітної індукції

Магнітний потік Ф – потік магнітної індукції. Напрям вектору магнітної індукції встановлюють за допомогою правила свердлика.

Якщо джерелом магнітного поля є котушка зі струмом, то напрямок поля визначають за правилом правої руки (рис. 5): якщо долонею правої руки обхопити котушку так, щоб чотири пальці збігалися з напрямом струму у витках, то відігнутий великий палець покаже напрямок магнітного поля.

Рис. 5. Використання правила правої руки

Електромагнітна індукція. Якщо провідник переміщувати в магнітному полі, то в ньому відбувається поділ зарядів на позитивні й негативні, тобто виникає початкова різниця потенціалів, електрорушійна сила – ЕРС.

Величину ЕРС визначають за формулою:

Е = В · V · l · sin α, В,

де В – магнітна індукція, Тл; V – швидкість руху провідника або магнітного поля, м/с; l – активна довжина провідника (довжина тієї частини провідника, яка потрапила в магнітне поле), м; α – кут між лініями магнітного поля і провідником.

Явище електромагнітної індукції використовують у роботі електричних генераторів.

Напрямок ЕРС електромагнітної індукції визначають за правилом правої руки: якщо долоню правої руки розташувати так, щоб лінії магнітного поля входили в неї і великий відігнутий палець указував напрям руху провідника (тобто напрямок його швидкості), то чотири пальці покажуть напрямок ЕРС (рис. 6).

Якщо витком, котушкою або будь-яким замкнутим контуром проходить струм, що змінюється, то навколо них виникає змінне магнітне поле, що наводить у них ЕРС. Це явище називають явищем електромагнітної індукції, а струм – індукційним.

Явище виникнення ЕРС у провіднику зі струмом під дією власного мінливого магнітного поля – це самоіндукція.

Рис. 6. Використання правила правої руки для визначення напрямку ЕРС

Величину ЕРС самоіндукції визначають за формулою:

eL = –L ∙ di dt ,

де L – індуктивність, коефіцієнт, який залежить від параметрів контуру, Гн;

di / dt – швидкість зміни струму, А/с.

Самоіндукція виникає в будь-якому дроті зі змінним струмом. У ланцюзі постійного струму самоіндукція спостерігається в момент розмикання ланцюга. Тоді в місці розриву ланцюга може виникнути електрична дуга (рис. 7).

Рис. 7. Приклад виникнення самоіндукції (дуги)

Для гасіння дуги у високовольтних ланцюгах встановлюють дугогасильні камери.

ЕРС самоіндукції створює опір будь-яким змінам струму. У тих приладах, де самоіндукція вельми небажана, намотування котушок виконують біфілярно. Біфілярну котушку (інша назва – біфілярна обмотка) використовують у сучасній електротехніці як спосіб створення дротяного резистора з незначним паразитним коефіцієнтом самоіндукції. На рис. 8 зображено плоску індукційну котушку (біфілярну), яку створив Нікола Тесла.

Рис. 8. Плоска індукційна котушка (біфілярна)

Поверхневий ефект. Завдяки ЕРС самоіндукції заряджені частинки змінного струму виштовхуються на поверхню провідника, внаслідок чого виникає поверхневий ефект. Тобто струм високої частоти, на відміну від постійного струму, тече переважно поверхнею провідника. Це явище можна пояснити у такий спосіб. Припустимо, що змінний струм тече у багатожильному кабелі.

Тоді кожна жила кабелю буде охоплена своїм змінним магнітним полем, яке частиною своїх силових ліній охоплюватиме також і інші жили. На рис.9 зображено шість периферійних і одну осьову жилу кабелю.

Рис. 9. Поверхневий ефект

ЕРС самоіндукції, що виникає у провіднику, за змінного струму в різних прошарках дроту не є однаковою: у середині дроту вона має найбільшу величину і чинить значний індуктивний опір змінному струму. Поверхневий ефект стає помітним тільки за високих і ультрависоких частот. Цим пояснюється використання для цих струмів не суцільних, а трубчатих провідників і сріблення їхніх поверхонь.

Вихрові струми, або струми Фуко. Названі на честь французького фізика Леона Фуко (1819–1868), який відкрив явище нагрівання металічних тіл, які обертаються в магнітному полі. Ці струми виникають у масивних провідниках у разі зміни магнітного потоку, який їх пронизує.

Уперше вихрові струми виявив французький учений Франсуа Араго (1786–1853) в 1824 р. – у мідному диску, розташованому на осі під магнітною стрілкою, яка оберталася. З огляду на вихрові струми диск також обертався. Цей факт, названий явищем Араго, пояснив М. Фарадей із позицій відкритого ним закону електромагнітної індукції: магнітне поле, яке обертається, індукує в мідному диску струми (вихрові), які взаємодіють із магнітною стрілкою.

Струми Фуко виникають під дією змінного електромагнітного поля і за своєю фізичною природою нічим не відрізняються від індукційних струмів, що виникають у лінійних провідниках.

Оскільки електричний опір провідників малий, то сила струмів Фуко може досягати великих значень. Згідно з правилом Ленца, вони вибирають у провіднику такий напрямок, щоб протистояти причині, яка їх викликає. Тому в сильному магнітному полі провідники, які рухаються, витримують сильне гальмування, яке пояснюється взаємодією струмів Фуко з магнітним полем.

Теплову дію струмів Фуко використовують в індукційних печах: у котушку, яка живиться від високочастотної батареї великої сили, поміщають тіло-провідник, у якому виникають вихрові струми, які розігрівають його до плавлення.

Цей ефект застосовують також для демпфування рухливих частин гальванометрів, сейсмографів тощо.

У багатьох випадках струми Фуко є небажаними, шкідливими. Для боротьби з ними застосовують спеціальні заходи: наприклад, якорі трансформаторів набирають із тонких пластин. Поява феритів зробила можливим виготовлення цих провідників суцільними.

Небезпека вихрових струмів полягає у: небажаному нагріві осердь; втратах енергії; розмагнічувальній дії осердь; нерівномірному розподілі магнітного потоку по перерізу магнітопроводу.

Незважаючи на шкідливий вплив вихрових струмів, їхню теплову дію ефективно використовують.

24.04.2026р.

Тема програми: Постійний струм та кола постійного струму

Тема уроку № 18. Постійний струм та кола постійного струму.

Працюємо з підручником:

Гуржій А. М. Електротехніка та основи електроніки : підручник для здобувачів професійної (професійно-технічної) освіти / А. М. Гуржій, С. К. Мещанінов, А. Т. Нельга, В. М. Співак. – Київ : Літера ЛТД, 2020. – 288 с. Стор. 31-51.

https://lib.imzo.gov.ua/wa-data/public/site/books2/pidrucnnyky-posibnyky-profosvita/Litera-Elektrotehnika.pdf

Опрацювати матеріал.

1. Постійний струм.

2. Кола постійного струму.

Д.З. Оформити конспект. Дати відповіді на питання:

1. Що називають постійним струмом?

2. Чим вимірюється електричний струм і як саме?

3. Чим характеризується струм?

4 Що називають напругою?

5. Чим і як вимірюють напругу?

6. Що називають електричним колом?

7. Які елементи ланцюга називають ідеальними?

8. Що називають внутрішнім та зовнішнім опором в замкненому ланцюзі?

9. Чому дорівнює сила струму в замкненому ланцюзі згідно закону Ома?

Електричний струм являє собою впорядкований рух електронів або іонів.

Електрони завжди рухаються від того місця, де вони перебувають у надлишку, тобто від мінуса, туди, де є їх нестача, тобто до плюса. Але в електротехніці (відтоді, коли ще не були відкриті електрони) прийнято умовно вважати, що струм іде від «плюса» до «мінуса», або від більшого потенціалу до меншого.

Струм виникає під впливом електричного поля, яке, діючи на електрони,
приводить їх у рух. Електричне поле має властивість поширюватися уздовж провідника з величезною швидкістю, близької до швидкості світла - 300 000 км/с. З такою ж швидкістю тече електричний струм, незважаючи на те, що швидкість переміщення електронів – частки міліметра в секунду.

Електричний струм з кількісної сторони характеризують силою струму.

Сила струму – це величина електричного заряду, що проходить через поперечний переріз провідника в одиницю часу.

Чим більше електронів проходить в одну секунду через поперечний
переріз провідника, тем більша сила струму (струм).

Струм позначають буквою I й вимірюють в амперах.

Струм рівний 1 А, якщо через поперечний переріз провідника в 1 с проходить 1 Кл електрики (6,3 10 ⋅ 18 електронів).

Якщо струм у провіднику не міняє своїх величини й напрямку, його

називають постійним.

Інакше кажучи, постійний струм – це такий струм, який завжди йде в одному напрямку з постійною силою.

Для виміру сили струму застосовуються амперметри. Щоб виміряти струм у якому-небудь провіднику (рис. 1), треба в розрив провідника включити амперметр (послідовне включення). Тоді струм пройде через прилад і буде виміряний.

Напруга, або різниця потенціалів на двох кінцях провідника, вимірюється
вольтметрами. При включенні вольтметра ланцюг не розривається, його підключають до тих двох точок, між якими необхідно виміряти напругу.

На рис. 2 показане включення вольтметра для виміру напруги між точками А і Б провідника, по якім протікає струм (паралельне включення).

Електричне коло і його елементи. Закон Ома для замкненого ланцюга

Електричним колом називають сукупність пристроїв, призначених для одержання, передачі, перетворення й використання електричної енергії.
Електричне коло складається з окремих пристроїв - елементів електричного кола (джерел електричної енергії, її споживачів, пристроїв для передачі енергії, перетворення, комутації, контролю і т.д.).

Джерело електричної енергії, її приймач і сполучні проводи вважаються основними елементами кола, тому що при відсутності хоча б одного з них електричне коло зібрати неможливо.

Джерела електричної енергії служать для одержання електричної енергії з інших видів енергії – механічної, хімічної, тепловий, променистої.

При перетворенні будь-якого виду енергії в електричну в джерелі відбувається поділ позитивних і негативних зарядів і утворюється електрорушійна сила (ЕРС).

Приймачі електричної енергії служать для перетворення електричної енергії в інші види енергії: механічну, теплову, світлову, хімічну.

Елементи ланцюга, що мають тільки один параметр, називають ідеальними.
Джерела електричної енергії (ЕРС, струму) належать до групи активних елементів електротехнічних пристроїв.

До групи пасивних елементів ставляться: активний опір R, індуктивність
(індуктивна котушка) L і ємність (конденсатор) C.

В електротехнічних пристроях одночасно протікають три енергетичні
процеси.
1. В активному опорі відбувається перетворення електричної енергії в тепло.
2. В індуктивному елементі енергія електричного поля джерела перетвориться в енергію магнітного поля котушки й навпаки.
3. У конденсаторі, при заряді, відбувається накопичення енергії джерела в
електричнім полі конденсатора й потім при розряді повернення її джерелу.

Величини опір R, індуктивність L і ємність C залежать від властивостей пристрою, його конструкції і є параметрами цього пристрою.

Таблиця 1. Таблиця ідеальних елементів електричного кола.

Якщо з'єднати провідниками полюси джерела ЕРС із тим приладом, який повинен живитися струмом, наприклад, з лампою розжарювання, то виходить найпростіше замкнене електричне коло (рис. 1).

Рис. 1. Просте електричне коло з одним джерелом і одним приймачем.

Поки джерело ЕРС працює (наприклад, поки в акумуляторній батареї відбувається хімічна реакція), у ланцюзі діє ЕРС. Якщо замкнути вимикач, по ланцюгу піде струм. Якщо розірвати ланцюг (розімкнути вимикач), струм припиниться, але ЕРС залишається діяти й у розімкнутому ланцюзі.
Для того, щоб безупинно протікав струм, крім ЕРС, необхідно ще наявність замкненого електричного ланцюга.

У кожному замкненому ланцюзі розрізняють внутрішню частину, тобто джерело ЕРС, і зовнішню частину, до якої належать усі прилади й проводи, підключені до джерела ЕРС. Умовно вважають, що струм у зовнішньому ланцюзі йде від «плюса» джерела до «мінуса», а усередині джерела - від «мінуса» до «плюса».

Кожне джерело ЕРС завжди має деякий опір. Його називають внутрішнім опором і позначають r (рис. 2). Струм усередині джерела ЕРС зустрічає в ньому опір, як і в будь-якому провіднику. Акумулятори мають внутрішній опір близько часток ома, гальванічні елементи – від часток ома до декількох ом.

Зовнішній опір частий називають навантажувальним опором або
навантаженням.

Рис. 2. Замкнене коло

Відповідно до закону Ома для всього ланцюга сила струму в замкненому ланцюзі є відношення ЕРС до повного опору ланцюга, тобто сумі зовнішнього й внутрішнього опорів:

24.04.2026р.

Тема програми № 10. Основні відомості про електробезпеку

Тема уроку № 17. Основні відомості про електробезпеку.

https://www.victorija.ua/dovidnik/elektrobezpeka.html

Опрацювати матеріал.

1. Електробезпека.

2. Група з електробезпеки.

3. Електротехнічні роботи різної складності.

4. Перевірка знань з електробезпеки.

5. Види інструктажів з електробезпеки.

Д.З. Оформити конспект. Дати відповіді на питання:

1. Що вивчає електробезпека?

2. Які є групи з електробезпеки

3. Як поділяються електротехнічні роботи за складністю?

4. Хто і коли перевіряє знання з електробезпеки.

5. Де проводять спеціальне навчання з технічної та безпечної експлуатації електроустановок?

6. Чим займаються відповідальні за електрогосподарство?

7. Як поділяються виробничі інструктажі ?

Електробезпека – це система організаційних та технічних заходів і засобів, що забезпечують захист людей (живої природи) від шкідливого та небезпечного впливу електричного струму, електричної дуги, електромагнітного поля і статичної електрики.

Група з електробезпеки визначає кваліфікаційний рівень знань та практичний досвід працівника здатного виконувати електротехнічні роботи (завдання та обов’язки) відповідного рівня складності.

Електротехнічні роботи низької складності виконують працівники не вище II кваліфікаційної групи з електробезпеки, середньої складності – працівники з III кваліфікаційною групою з електробезпеки, високої складності – працівники з IV-V кваліфікаційною групою з електробезпеки.

Працівники з І кваліфікаційною групою з електробезпеки не виконують електротехнічні роботи, але зобов’язані виконувати технічний догляд виробу (електроприладу тощо), який працює на електричній енергії та використовують в своїй роботі.

Особа, щоб отримати І кваліфікаційну групу з електробезпеки повинна:

– знати основи електрики;

– чітко усвідомлювати небезпечну дію електричного струму;

– знати заходи електричної та пожежної безпеки при роботі на виробі (електроприладі, електроустановці тощо);

– знати порядок надання першої долікарської допомоги потерпілим від ураження електричним струмом;

– вести технічний догляд виробу, на якому працює (електроприладу, електроустановки тощо).

Працівники, які в своїй роботі використовують вироби, що працюють на електричній енергії, зобов’язані мати відповідну кваліфікаційну групу з електробезпеки та проходити щорічну перевірку знань. Конкретні кваліфікаційні групи з електробезпеки, які повинні мати працівники на підприємстві, встановлює виключно відповідальний за електрогосподарство, перелік яких затверджує керівник в Положенні про навчання з питань технічної експлуатації електроустановок, охорони праці та про перевірку знань з цих питань. Для деяких працівників Правилами встановлені мінімально допустимі кваліфікаційні групи. Наприклад:

– водії автомобілів, машин, механізмів, трактористи – I групу;

– стропальники, сторожа, прибиральниці приміщень – I групу;

– медичний персонал, який працює з електровиробами – I групу;

– працівники, що працюють на комп’ютерах – I групу. При наявності блоків автономного живлення, принтерів тощо, рекомендовано, – II групу;

– оператори технологічних процесів на електроприводі – II;

– електрозварники і токарі – II;

– машиністи вантажопіднімальних машин – II групу;

– працівники, які допущені до управління машинами і обладнанням з електроприводом – не нижче II групи;

– працівники, які допущені до управління ручних електричних машин – I або II групу, тощо.

Особа, відповідальна за електрогосподарство несе персональну відповідальність за допущення працівника використовувати в роботі електричну енергію. Для одержання першої кваліфікаційної групи з електробезпеки, незалежно від посади і фаху, працівнику необхідно пройти перевірку знань з електробезпеки. За результатами перевірки особа, яка перевіряє, шляхом опитування, повинна переконатись, що працівник засвоїв питання, з електробезпеки. Перевірку знань з електробезпеки на І групу повинен проводити одноосібно та виключно відповідальний за електрогосподарство, або, за його письмовим розпорядженням, – особа зі складу електротехнічних працівників з групою не нижче ІІІ. Мінімальний стаж роботи в електроустановках і видання посвідчень працівникам з групою I не вимагаються. Працівнику який не отримав I групи з електробезпеки в своїй роботі використовувати вироби, що працюють на електричній енергії, забороняється, а виріб (наприклад, комп’ютер, електродріль, швейна машина тощо), на якому працював працівник, повинен бути відключений від електромережі.

Позачергова перевірка знань з електробезпеки, в тому числі і на 1 кваліфікаційну групу, проводиться при:

– введенні в дію нових або переглянутих Правил;

– введенні в експлуатацію нового устаткування або впровадження нових технологічних процесів;

– порушенні працівником вимог Правил та інструкцій;

– на вимогу посадових осіб організації вищого рівня та органу державного нагляду;

– при переведенні на іншу роботу та при зміні посади.

Для отримання ІІ кваліфікаційної групи з електробезпеки працівнику необхідно:

– мати рівень знань та досвід в роботі з І кваліфікаційною групою з електробезпеки від 1 до 2 місяців (в залежності від кваліфікації та освіти).

– володіти елементарними електротехнічними знаннями електроустановок на яких працює;

– мати чітке уявлення про небезпеку електричного струму та наближення до струмоведучих частин;

– знання загальних правил безпечної та технічної експлуатації електроустановок;

– наявність практичних навичок надання першої долікарської допомоги потерпілим від ураження електричним струмом;

– вести технічне обслуговування електроустановок, на яких працює.

Відповідальний за електрогосподарство не є вчителем і в його обов’язки навчання підлеглих не входить, для цього є спеціальні акредитовані заклади.

Робітники електротехнічних професій проходять щорічне спеціальне навчання відповідних нормативно-технічних актів. Навчання організовують працівники відділу кадрів.

Нормативними актами передбачено, що відповідальні за електрогосподарство споживачів повинні забезпечувати проведення інструктажів. Інструктаж не є навчанням, а є формою підготовки до виконання певних обов’язків, а саме: – доведення до працівників змісту основних вимог щодо організації безпечної роботи і правил безпечної експлуатації електроустановок, аналіз допущених чи можливих помилок на робочих місцях осіб, яких інструктують, поглиблення знань і навичок безпечного виконання робіт та знань правил пожежної безпеки. Працівник який не пройшов інструктаж до роботи не допускається. Рівень знань після інструктажу визначає особа, що інструктує працівника.

Спеціальне навчання з технічної та безпечної експлуатації електроустановок може проводитись як безпосередньо на підприємстві так і іншим суб’єктом господарської діяльності, який отримав в установленому порядку відповідний дозвіл. Методичне забезпечення, організація і проведення навчання здійснюють спеціалісти (працівники) служби відділу кадрів. Спеціальне навчання відповідальних за електрогосподарство перед перевіркою знань проводиться роботодавцем за 40 годинною програмою, яка розробляються з урахуванням конкретних видів робіт, виробничих умов та функціональних обов’язків працівників.

Керівники, посадові особи та ІТП, де сталася техногенна аварія чи враження персоналу електричним струмом, зобов’язані протягом місяця пройти позачергову перевірку знань.

Всі працівники, включаючи тих які мають I-V кваліфікаційні групи з електробезпеки, під час прийняття на роботу та періодично повинні проходити інструктажі з охорони праці. За характером і часом проведення інструктажі поділяються на вступний, первинний, повторний, позаплановий та цільовий. Відповідальність за наявність інструктажів несе керівник, якому підпорядкований працівник.

Первинний, повторний, позаплановий і цільовий інструктажі завершуються перевіркою знань у вигляді усного опитування або за допомогою технічних засобів, а також перевіркою набутих навичок безпечних методів праці. Знання перевіряє особа, яка проводила інструктаж.

При незадовільних результатах перевірки знань, умінь і навичок щодо безпечного виконання робіт після первинного, повторного чи позапланового інструктажів для працівника протягом 10 днів додатково проводяться інструктаж і повторна перевірка знань. При незадовільних результатах повторної перевірки знань, умінь і навичок щодо безпечного виконання робіт працівник до роботи не допускається.

При незадовільних результатах перевірки знань після цільового інструктажу допуск до виконання робіт не надається. Повторна перевірка знань при цьому не дозволяється.

Про проведення первинного, повторного, позапланового та цільового інструктажів вноситься запис до Журналу обліку виробничих інструктажів особою, яка їх проводила. Сторінки журналу повинні бути пронумеровані, прошнуровані і скріплені печаткою.

Вступний інструктаж проводиться:

з усіма працівниками, які приймаються на постійну або тимчасову роботу, незалежно від їх освіти, стажу роботи та посади;
з працівниками інших організацій, які прибули на підприємство і беруть безпосередньо участь у виробничому процесі або виконують інші роботи для підприємства;
з учнями та студентами, які прибули на підприємство для проходження виробничої практики;
з екскурсантами у разі екскурсії на підприємство.

Вступний інструктаж проводиться інженером з охорони праці, або іншим фахівцем, на якого наказом (розпорядженням) покладено ці обов’язки. Вступний інструктаж проводиться в кабінеті охорони праці або в приміщенні, що спеціально для цього обладнано, з використанням сучасних технічних засобів навчання, навчальних та наочних посібників за програмою, розробленою службою охорони праці з урахуванням особливостей виробництва.

Програма інструктажу затверджується роботодавцем. Запис про проведення вступного інструктажу робиться в журналі реєстрації вступного інструктажу, який зберігається в службі охорони праці, а також у наказі про прийняття працівника на роботу.

Первинний інструктаж електротехнічним та електротехнологічним працівникам проводиться відповідальним за електрогосподарство до початку роботи безпосередньо на робочому місці:

– новоприйнятим (постійно чи тимчасово) на підприємство;

– працівнику, який переводиться з одного структурного підрозділу до іншого;

– працівнику, який буде виконувати нову для нього роботу;

– відрядженим працівником, який бере безпосередню участь у виробничому процесі на підприємстві;

– з учнями та студентами при проходженні практики на виробництві;

– працівнику, перед виконанням завдання, пов’язаного з використанням нових механізмів, інструментів, матеріалів тощо.

Первинний інструктаж проводиться індивідуально або з групою осіб одного фаху за діючими на підприємстві інструкціями з охорони праці відповідно до виконуваних робіт.

Повторний інструктаж електротехнічним та електротехнологічним працівникам проводиться відповідальним за електрогосподарство на робочому місці – 1 раз на 3 місяці. Повторний інструктаж проводиться індивідуально з окремим працівником або з групою працівників, які виконують однотипні роботи. Обсяг і зміст повторного інструктажу визначає особа, відповідальна за електрогосподарство.

Позаплановий інструктаж електротехнічному та електротехнологічному персоналу проводиться відповідальним за електрогосподарство на робочому місці або в кабінеті:

при введенні в дію нових або переглянутих нормативних актів про технічну і безпечну експлуатацію електроустановок, а також при внесенні змін та доповнень до них;
при зміні технологічного процесу, заміні або модернізації устаткування, приладів та інструментів, вихідної сировини, матеріалів та інших факторів, що впливають на стан технічної і безпечної експлуатації електроустановок;
при порушеннях працівниками вимог нормативних актів з технічної чи безпечної експлуатації електроустановок, що можуть призвести або призвели до травм, аварій, пожеж тощо;
при виявленні недоліків електротехнічними особами відповідних організацій та особами, які здійснюють державний нагляд і контроль за технічною і безпечною експлуатацією електроустановок, незнання вимог безпеки стосовно робіт, що виконуються працівником;
при перерві в роботі електротехнічних та електротехнологічних працівників більш ніж на 30 календарних днів.

Цільовий інструктаж проводиться з працівниками:

при виконанні разових робіт, не передбачених трудовою угодою;
при ліквідації аварії, стихійного лиха тощо;
при проведенні робіт, на які оформляються наряд-допуск або розпорядження.

Цільовий інструктаж проводиться відповідальним за електрогосподарство індивідуально з окремим електротехнічним чи електротехнологічним працівником або з групою таких працівників. Обсяг і зміст цільового інструктажу визначається відповідальним за електрогосподарство в залежності від виду робіт, що ними виконуватимуться.

17.04.2026р.

Тема програми: 9. Виробництво, розподіл та споживання електричної енергії

Тема уроку № 16. Електричні станції, мережі та споживачі електричної енергії.

Працюємо з підручником:

https://lib.imzo.gov.ua/wa-data/public/site/books2/pidrucnnyky-posibnyky-profosvita/Litera-Elektrotehnika.pdf

https://youtu.be/xpQW02oHrCo?si=ioHIEVFKOG-bHTAM

Опрацювати матеріал.

1. Електричні станції.

2. Електричні мережі.

3. Споживачі електричної енергії.

Д.З. Оформити конспект. Дати відповіді на питання:

1. Опишіть основні типи виробників електроенергії.

2. Наведіть основних альтернативних виробників електроенергії.

3. Що називають тепловими електростанціями та як вони працюють.

4. Що називають атомними електростанціями та як вони працюють.

5. Що називають гідравлічними електростанціями та як вони працюють..

6. Чим ТЕЦ відрізняються від ТЕС?

7. Опишіть роботу геотермальних електростанцій.

Основні типи виробників електроенергії.

Потужними виробниками електроенергії є:

- теплові електростанції (ТЕС);

- теплоелектроцентралі (ТЕЦ);

- гідроелектричні станції (ГЕС);

- атомні електростанції (АЕС).

До альтернативних виробників електроенергії можна віднести: вітрову електроенергетику, припливну (енергія морів та океанів), сонячні батареї тощо, але ці станції ще не відіграють вирішальної ролі в забезпеченні споживачів електроенергією.

Всі електричні станції, за умови їхньої роботи в єдиній мережі, об’єднані спільністю режиму роботи, безперервністю процесу виробництва, розподілу та споживання електроенергії.

Теплові електростанції. Тепловою електростанцією називають комплекс споруд і устаткування, у яких теплова енергія органічного палива перетворюється в електричну енергію, що передається в енергетичну систему або безпосередньо споживачам.

Перша теплова електростанція була побудована в Нью-Йорку в 1882 р. На теплових електростанціях, які називаються теплоелектроцентралями (ТЕЦ), крім електричної енергії, виробляється ще й теплова, яка за допомогою теплотрас передається споживачам і розподіляється між ними. На рис. 1 зображено схему роботи ТЕС та ТЕЦ. На станції використовується багато електротехнічного обладнання, а саме: електродвигуни, генератори, трансформатори, електроавтоматика та ін. Застосовуються також різноманітні електричні апарати для захисту від перевантаження, перенапруги, струмові, грозові та інші види захисту.

Для початку варто визначитися з термінами «ТЕЦ» і «ТЕС». Говорячи зрозумілою мовою – вони рідні сестри. «Чиста» теплоелектростанція – ТЕС розрахована виключно на виробництво електроенергії. Її інша назва «конденсаційна електростанція» – КЕР.

Рис. 1. Схема роботи ТЕС та ТЕЦ

Теплоелектроцентраль – ТЕЦ — різновид ТЕС. Вона, крім генерації електроенергії, здійснює подачу гарячої води у центральну систему опалення та для побутових потреб.

Схема роботи ТЕЦ досить проста. В топку одночасно надходять паливо та розігріте повітря — окислювач. Найбільш поширене паливо на ТЕЦ – подрібнене вугілля. Тепло від згоряння вугільного пилу перетворює воду, що надходить у котел в пару, яка потім під тиском подається на парову турбіну. Потужний потік пари змушує її обертатися, приводячи в рух ротор генератора, який перетворює механічну енергію в електричну.

Далі пара, що вже значно втратила свої початкові показники – температуру та тиск – потрапляє в конденсатор, де після холодного водяного душа вона знову стає водою. Потім конденсатний насос перекачує її в регенеративні нагрівачі й далі — в деаератор. Там вода звільняється від газів – кисню та СО2, які можуть викликати корозію. Після цього вода знову підігрівається від пари та подається назад в котел.

Друга, не менш важлива функція ТЕЦ – забезпечення гарячою водою (парою), призначеної для систем центрального опалення прилеглих населених пунктів та побутового використання. У спеціальних подігрівачах холодна вода нагрівається до 70 градусів влітку та 120 градусів взимку, після чого мережевими насосами подається в загальну камеру змішування й далі по системі тепломагістралей надходить до споживачів. Запаси води на ТЕЦ постійно поповнюються.

У порівнянні з вугільними ТЕЦ, ТЕС, де встановлені газотурбінні установки, набагато більш компактні та екологічні. Досить сказати, що станції не потрібен паровий котел. Газотурбінна установка – це по суті той же турбореактивний авіадвигун, де, на відміну від нього, реактивний струмінь не викидається в атмосферу, а обертає ротор генератора. При цьому викиди продуктів згоряння мінімальні.

Рис. 2. Спрощена структура ТЕС

Первинним джерелом енергії на ТЕС є паливо (вугілля, газ, мазут, торф та ін.). Тепло, що утворюється в котлі при спалюванні палива, випаровує воду і нагріває пару (робоче тіло). Нагріта пара під високим тиском надходить у турбіну, яка обертає турбогенератор змінного струму. Електроенергія, вироблена турбогенератором, надходить у трансформатор, що підвищує напругу, потім у лінію електропередачі та понижуючий трансформатор, і далі в мережу, що живить споживачів електроенергії.

Атомні електростанції. Атомна електростанція (АЕС) – це теплова станція, у якій атомна (ядерна) енергія перетворюється на електричну. На рис. 3 зображено спрощену структуру АЕС.

Рис. 3. Спрощена структура АЕС

Генератором енергії на АЕС є атомний реактор. Тепло, яке виділяється в реакторі в результаті ланцюгової реакції поділу ядер деяких важких елементів, як і на звичайних теплових електростанціях (ТЕС), перетворюється на електроенергію. На відміну від ТЕС, що працюють на органічному паливі, АЕС працює на ядерному пальному, в основному на урані. У процесі ланцюгової реакції виділяється тепло, яке нагріває воду до 320 °С. Потім вода в парогенераторі перетворюється на пару, пара обертає турбіну, яка й запускає в хід генератор, що виробляє електроенергію. Далі по технологічному ланцюжку слідують конденсатори і високовольтні лінії електропередач, що йдуть за межі майданчика станції.

Циркуляцію теплоносія на атомних електростанціях забезпечують насоси:

головний, живильний і циркуляційний. Надлишки тепла АЕС направляються до градирні. На кожній АЕС є системи очищення теплоносія та засоби радіаційної безпеки.

Реакторна установка станції поміщається у велику бетонну вежу, яка в разі аварії утримує в собі всі продукти ядерної реакції. Ця вежа має герметичну оболонку, або гермозону.

Герметична оболонка має дві товсті бетонні стіни – оболонки. Зовнішня оболонка завтовшки 80 см забезпечує захист гермозони від зовнішніх впливів. Внутрішня оболонка має товщину 1 м 20 см. Із внутрішньої сторони вона викладена тонким листом спеціальної сталі, який служить додатковим захистом і в разі аварії не випустить вміст реактора за межі гермозони. Коефіцієнт корисної дії станції становить 25–30 %.

Гідроелектростанції. У 1882 р. Томас Едісон відкрив одну з перших гідроелектростанцій у світі. Саме відтоді розпочалося активне освоєння цього виду відновлювальної енергетики. Сьогодні гідроенергетика – одне з найдешевших відновлювальних джерел енергії у світі. Принцип роботи гідроелектростанції доволі простий. Для вироблення електроенергії потрібні лише два основних пристрої – турбіна й генератор. Для роботи будь-якої станції потрібен невеликий перепад висоти річища річки. Щоб його утворити, будують дамбу. Вона також слугує за водосховище, щоб гідроелектростанція могла працювати будь-коли. Унаслідок перепаду висоти вода стікає з дамби, потрапляє на лопаті турбіни й обертає їх.

Слідом обертається й вал генератора, виробляючи електроенергію, яка електромережами надходить уже до споживачів.

Завдяки такому простому принципу роботи будівництво гідроелектростанції недороге.

Рис. 4. Спрощена структура ГЕС.

Нині світова гідроенергетика активно розвивається: будуються нові малі та великі ГЕС, реконструюються старі. Частка гідроенергії в загальному обсязі світової електроенергії наразі становить близько 20 %.

В Україні гідроенергетика активно розвивається з початку XX ст. Найбільші гідроелектростанції в нашій країні розташовані на річках Дніпро й Дністер.

Усі вони належать державі. Сумарна встановлена потужність гідроелектростанцій – 4,72 ГВт, або 9,1 % від загальної потужності електромережі України.

Перша й водночас найбільша в Україні гідроелектростанція – Дніпровська ГЕС у Запоріжжі. Її встановлена потужність – близько 1,5 ГВт. Наразі активно ведуть роботи зі збільшення кількості державних ГЕС на Дністрі. У китайській провінції Сичуань добудовується ГЕС «Байхетань» потужністю 13,86 ГВт. Вона має стати другою у світі за потужністю, але ненадовго, адже у Демократичній Республіці Конго вже зводять ГЕС «Гранд Інга» на 52 гідроагрегати, потужність якої становитиме рекордні 39 ГВт.

Рис. 5. Вид греблі ГЕС

17.04.2026р.

Тема програми: 8. Електричні апарати

Тема уроку № 15. Електричні пристрої комутації, автоматичного захисту мережі.

Працюємо з підручником:

https://lib.imzo.gov.ua/wa-data/public/site/books2/pidrucnnyky-posibnyky-profosvita/Litera-Elektrotehnika.pdf

Опрацювати матеріал.

1. Електричні пристрої комутації, автоматичного захисту мережі.

2. Автоматичні вимикачі.

3. Магнітні пускачі і контактори.

Д.З. Оформити конспект. Дати відповіді на питання:

1. Яке призначення електричних пристроїв комутації.

2. Опишіть автоматичні вимикачі.

3. Опишіть групу апаратів захисту електроустаткування й електричних мереж.

4. Опишіть призначення та будову роз’єднувачів.

5. Опишіть призначення магнітного пускача і контактора.

6. Опишіть будову магнітного пускача і контактора.

7. Наведіть приклади умовного позначення контактів.

Автоматичні вимикачі. У разі виникнення небезпечного режиму автоматичний вимикач розмикає свої контакти, відключаючи ділянку мережі з підвищеним споживанням струму, тим самим рятуючи електропроводку від пошкодження.

Автоматичний вимикач захисту лінії, його ще називають «автоматом захисту», був винайдений американським ученим Чарлзом Графтоном Пейджем у 1836 р.

Першу конструкцію автоматичного вимикача описав Томас Едісон у 1879 р., а запатентована вона була в 1924 р.

Кожна трансформаторна підстанція, повітряна лінія, кабельна лінія і розподільні внутрішньобудинкові мережі, кожен електроприймач має апарати захисту, що забезпечують їх безперебійну і надійну роботу. Нині у світі є величезний вибір таких апаратів. Їх можна підібрати за типом, за способом підключення, за параметрами захисту. Велика група апаратів захисту електроустаткування й електричних мереж включає в себе такі апарати, як: плавкі вставки (запобіжники), автоматичні вимикачі, різноманітні реле (струмові, теплові, напруги і т. п.). Великий вклад у розвиток цього напрямку внесли знамениті вчені-винахідники в галузі електротехніки – Нікола Тесла, а також один з творців радянської школи електротехніки, академік Клавдій Іполитович Шенфер.

Зовні автоматичний вимикач виглядає як короб із пластику. Передня панель оснащується рукояткою для вмикання і вимикання устаткування. Задня панель оснащена спеціальним фіксатором для закріплення вимикача, а верхні і нижні кришки оснащуються клемами особливої форми. На рис. 1 зображено загальний вигляд одного із видів автоматичних вимикачів.

Конструктивні особливості автоматичних вимикачів залежать від сфери застосування і завдань, покладених на пристрій. Запуск і вимикання обладнання може відбуватися в ручному режимі або за допомогою електромагнітного чи електродвигунного приводу.

Ручна схема вимикання присутня в захисних пристроях, які розраховані на силу струму, що не перевищує 1000 А.

Рис. 1 Загальний вигляд автоматичних вимикачів

Схеми електродвигунних і електромагнітних елементів живлення від електричного струму оснащені захистом від довільного повторного запуску. Процес вмикання пристрою повинен зупинятися за умови підвищення або зниження напруги в ділянці ланцюга від 85 до 110 % від нормальної.

Під час перевантаження мережі або короткого замикання припинення роботи автомата відбувається незалежно від положення рукоятки, що відповідає за запуск/вимикання обладнання.

Розглянемо, як влаштований і працює автоматичний вимикач. На рис. 2 подано зображення складових автоматичного вимикача. Автоматичний вимикач складається з: корпусу 1; важелів, з’єднаних із кнопками або прапорцями вмикання та вимикання (замикання і розмикання контактів) 2; клем для підключення струмопровідних жил 3; силових контактів 4, 5; дугогасної камери 8; теплового роз’єднувача 6; електромагнітного роз’єднувача 7; затискача 9 для кріплення на дин-рейку. До одних клем (зазвичай верхніх, але на практиці немає особливого значення) підключають живлення, до клем на протилежній стороні – навантаження. Струм проходить через силові контакти, котушку електромагнітного роз’єднувача і теплового роз’єднувача. Електромагнітний захист виконаний у вигляді котушки з мідного проводу, що намотаний на каркасі, всередині якого міститься рухоме осердя. У котушці від кількох до кількох десятків витків, залежно від її номінального струму. При цьому чим менший номінальний струм, тим більше витків і менший переріз проводу котушки.

Рис. 2. Будова автоматичного вимикача

При протіканні струму через котушку навколо неї утворюється магнітне поле, яке діє на рухоме осердя. У результаті цього осердя висувається, штовхає важіль і силові контакти розмикаються. Важіль знаходиться нижче котушки, і коли її осердя опускається – механізм приводиться в дію.

Тепловий захист спрацьовує при тривалому перевищенні сили струму. Він являє собою біметалеву пластину, яка при нагріванні згинається. При досягненні критичного стану вона штовхає важіль і контакти роз’єднуються.

Дугогасна камера потрібна для гасіння дуги, яка виникає внаслідок розмикання ланцюга під навантаженням. Процес дугоутворення залежить від характеру навантаження і його величини. При відключенні індуктивного навантаження (може бути електродвигун) виникають сильні дуги, значно більші, ніж при комутації активного навантаження. Гази, які утворюються в результаті її горіння, відводяться через спеціальний канал, що в рази підвищує термін служби силових контактів.

Виникнення перевантаження мережі означає, що сила струму в певній ділянці перевищила максимальне значення для цього захисного електрообладнання. Занадто сильний струм, який проходить по тепловому вузлу, деформує його. Залежно від різниці діючої сили струму і звичайного значення деформація досягає певного рівня, результатом якої може стати відмикання автомата.

На рис. 3 зображено тепловий роз’єднувач. Відмінною рисою цього захисного механізму є те, що він спрацьовує набагато повільніше, ніж електромагнітний. Тепловий роз’єднувач деякий час здатний витримувати максимальне навантаження, і якщо воно не знизиться до робочого значення, то відключить контакти. До речі, цей механізм ніяк не реагує на короткочасну зміну сили струму.

Конструкція роз’єднувача складається з:

- біметалевої пластини;

- важеля механізму, що розщеплює;

- контактів.

Рис. 3. Фотознімок теплового роз’єднувача

При нормальному значенні сили струму вільна частина пластини знаходиться поруч із важелем, що відключає механізм. При збільшенні навантаження пластина почне нагріватися і згинатися. При цьому вона починає впливати на важіль, а той, у свою чергу, діє на контакти і розмикає їх. Час до відключення безпосередньо залежить від надмірної сили струму в закритій ділянці і може становити як кілька секунд, так і годину. Подібна затримка необхідна, щоб автомат не спрацьовував постійно при невеликих або нетривалих стрибках сили струму в певній ділянці мережі. Такі стрибки відбуваються під час вмикання електрообладнання з високими стартовими струмами.

Сила струму, при якій спрацьовує термічний елемент у захисному електрообладнанні, виставляється за допомогою регулювальної деталі ще на заводі-виробнику. Як правило, це значення має перевищувати нормальне число в 1,1–1,5 разу.

Слід зауважити, що в приміщеннях з високою температурою автомат може працювати некоректно, оскільки термічний елемент може деформуватися швидше, ніж потрібно. А в приміщеннях із низькою температурою автомат спрацює пізніше необхідного часу.

Перевантаження електричної мережі виникає в разі підключення великої кількості приладів, загальна потужність споживання яких перевищує нормальну. Включення декількох потужних електроприладів, швидше за все, призведе до спрацювання термічного елемента.

Якщо таке сталося, перед увімкненням автомата треба визначитися з тим, які прилади слід відімкнути, зробити це і трохи почекати. Цей час необхідний, щоб термічний елемент у захисному електрообладнанні охолонув і перейшов у початкове положення.

На сьогодні найбільш поширені автоматичні вимикачі типів АП50Б, АЕ10, АЕ20, АЕ20М, ВА04-36, ВА-47, ВА-51, ВА-201, ВА88 та ін. Автоматичні вимикачі АП50Б випускають на номінальні струми до 63 А, АЕ20, АЕ20М – до 160 А, ВА-47 та ВА-201 – до 100 А, ВА04-36 – до 400 А, ВА88 – до 1600 А.

Магнітні пускачі і контактори. Магнітний пускач – це комутаційний електромагнітний пристрій, призначений для дистанційного керування та захисту, який складається з контактора, доповненого тепловим реле.

Контактор – це комутаційний електромагнітний апарат, що виконує функції дистанційних включень і відключень силових електричних кіл при нормальних режимах роботи.

Магнітні пускачі призначені, головним чином, для дистанційного керування трифазними асинхронними електродвигунами з короткозамкненим ротором, а саме:

– для запуску безпосереднім підключенням до мережі та зупинки (відімкнення) електродвигуна (нереверсивні пускачі);

– для запуску, зупинки і реверсу електродвигуна (реверсивні пускачі).

У складі теплового реле магнітні пускачі здійснюють також захист електродвигунів від перевантажень за неприпустимої тривалості робочого циклу.

Але досить часто магнітні пускачі використовують без теплових реле. І дуже важко провести чітку межу між контактором та магнітним пускачем. Проте є певні відмінності в будові цих апаратів. Як правило, в позначеннях магнітних пускачів є літери ПМ або ПА, а в позначеннях контакторів – КТ. Також контактори, як правило, використовуються для струму 50–250 А (магнітні пускачі – до 40 А) і мають більші розміри, порівняно з магнітними пускачами. Контактор, на відміну від магнітного пускача, має дугогасильну камеру. І остання відмінність – наявність у контактора більше трьох силових контактів, оскільки він використовується для комутації будь-яких силових кіл, а магнітний пускач – для пуску, зупинки, реверсу трифазних двигунів.

Розрізняють контактори з прямоходовою магнітною системою та з поворотним якорем.

Контактори, як правило, побудовані з прямоходовою магнітною системою, хоча і трапляються з поворотним якорем (ПА). Розглянемо контактор з прямоходовою магнітною системою та магнітний пускач серії ПМА. На рис. 4 зображено електромагнітний контактор із прямоходовою магнітною системою. У контакторах із прямоходовою магнітною системою нерухомою частиною є осердя 7 з котушкою 6, які встановлюються нерухомо на основі 8. Рухомою частиною контактора є якір 4, який зв’язаний з головними рухомими та допоміжними контактами 2, 3. Теплове реле використовується для захисту асинхронних електродвигунів від недопустимих перевантажень. При знятті напруги з котушки контактор вимикається, і під дією пружини 1 якір повертається в початкове положення.

Рис. 4. Електромагнітний контактор з прямоходовою магнітною системою:

1 – пружина; 2 – рухомі контакти; 3 – нерухомі контакти; 4 – якір; 5 – короткозамкнений виток, 6 – котушка; 7 – осердя; 8 – основа; 9 – теплове реле

При подачі напруги на котушку контактора виникає магнітне поле, під дією якого рухома магнітна система притягується до нерухомої. Тобто якір притягується до осердя, а рухомі контакти – до нерухомих. Таким чином забезпечується проходження електричного струму в силовому й допоміжному колі контактора. На головні та допоміжні контакти встановлено пружини для необхідного натискування і зменшення перехідного опору контактів. Допоміжні нормально розімкнуті і нормально замкнуті контакти призначені для роботи в електричних колах керування.

Під час розмикання головних контактів при великих струмах виникає електрична дуга, яка може призвести до руйнування контактної системи. Тому головні контакти контактора, що працюють при великих силах струму, обладнують дугогасильними камерами з жаростійкого ізоляційного матеріалу. У контактора на рис. 4 вони відсутні.

У контакторах постійного струму осердя і якір роблять суцільнометалевими, а у контакторах змінного струму – шихтованими, тобто набраними з окремих ізольованих пластин електротехнічної сталі.

При проходженні змінного струму по котушці контактора у магнітній системі виникає магнітний потік, який періодично проходить через нуль. Це викликає вібрацію та гудіння магнітної системи. Щоб послабити це явище, на торці осердя контактора змінного струму встановлюють мідний короткозамкнений виток. Коли основний магнітний потік проходить через нуль, його величина швидко змінюється і тому в короткозамкненому витку утворюється максимальна електрорушійна сила (ЕРС). У цьому разі короткозамкнений виток є вторинною обмоткою трансформатора. У короткозамкненому витку ЕРС утворює струм, що сприяє утворенню магнітного потоку Фд, який замикається через осердя та якір і перешкоджає відпаданню якоря при переході основного потоку через нуль. Таким чином зменшується вібрація магнітної системи контактора.

При підключенні магнітного пускача або контактора до електричного кола слід звертати увагу на номінальну напругу котушки. Котушки магнітних пускачів та контакторів виготовляють для напруги 24, 36, 127, 220, 380 В.

Кнопки керування. Кнопки керування використовують для управління різними електричними приладами і механізмами (в основному оснащених електродвигунами) на відстані. Широко використовуються кнопкові пости, які запускають або зупиняють електротехнічні пристрої, для реверсивного руху приводів в механізмах, для аварійної зупинки приводів механізмів у невідкладних ситуаціях тощо.

Кнопкові пости виготовляються в корпусах різної форми і з різним числом кнопок, залежно від їхніх функцій. Особливістю застосування кнопок є те, що вони не використовуються у схемах із високою напругою. Однак за допомогою кнопкових постів можна керувати обладнанням із високою напругою, підключаючи їх до ланцюга керування на змінному струмі до 600 В і на постійному струмі до 400 В.

Через кнопки управління робочий силовий струм не проходить, а проходить слабкий струм керування. Так працюють і кнопкові пости. Силовий ланцюг замикає пускач, який працює від кнопкового поста.

Найпоширеніші двокнопкові пости з механізмом фіксації діють у такому порядку. При натиснутій кнопці «Стоп» розмикається ланцюг, а кнопка «Пуск» перебуває у вільному стані. Якщо натиснути кнопку «Пуск», то ланцюг замикається, а кнопка «Стоп» виштовхується пружиною у вихідне положення. Вони служать для керування дією пускача, який включає силовий ланцюг. На рис. 5 зображено загальний вигляд кнопки управління і двокнопкового поста.

Кнопка є основною деталлю кнопкового поста. Її конструкції поділяються на два типи: з фіксацією і з самоповерненням. Кнопки з фіксацією розмикають контакти і повертаються у вихідне положення тільки при повторному натисканні. Самоповернення кнопок діє шляхом виштовхування кнопки пружиною у вихідне положення, тобто при натисканні однієї кнопки друга виштовхується автоматично, і навпаки.

Рис. 5. Загальний вигляд кнопки управління (а) і двокнопкового поста (б)

Сьогодні вибір кнопок управління і постів для них дуже широкий. Найпопулярнішими стали єдині кнопкові пости типу ПКЄ. Їх встановлюють на верстатах у деревообробній, металообробній промисловості і т. п. Такі кнопки управління можуть підключати ланцюги з силою струму до 10 А при 600 В.

Приклад умовних позначень деяких комутаційних пристроїв. Керування різноманітними виконавчими електричними і магнітними елементами або органами, а саме: електромагнітними реле і клапанами, електродвигунами, нагрівачами тощо – чи не найпоширеніша операція в електроавтоматиці.

Використання певних виконавчих пристроїв потребує відповідного схемного рішення їх керуванням. Слід зауважити, що в електротехніці відомо багато електричних схем, які для цього можуть бути використані.

Будь-якому елементу на електричних схемах присвоюється не тільки графічне позначення, а й буквене із зазначенням позиційного номера. Ці позначення регулюються стандартом «Позначення буквено-цифрові в електричних схемах» і є обов’язковими для всіх елементів в електричних схемах.

Так, наприклад, згідно з цим стандартом, автоматичні вимикачі прийнято позначати таким чином: QF1, QF2, QF3 і т. д.

Рубильники (роз’єднувачі) позначаються як QS1, QS2, QS3 і т. д.

Запобіжники на схемах позначаються як FU з відповідним порядковим номером.

Кодування літери Q означає – «вимикач або рубильник у силових ланцюгах». Кодова комбінація QF розшифровується як Q – «вимикач або рубильник у силових ланцюгах», F – «захисний», що цілком може бути застосована для будь-яких автоматичних вимикачів.

Комутаційні пристрої (вимикачі, контактори тощо) можуть замикати, розмикати і перемикати контакти. Контакт, який замикає, у нормальному стані розімкнутий, при переведенні його в робочий стан (увімкнено), ланцюг замикається. Контакт, який розмикає, в нормальному стані знаходиться в замкнутому положенні, коли при певних умовах він спрацьовує, ланцюг розмикається.

Перемикальний контакт буває дво- і трипозиційним. У першому випадку вмикається один із ланцюгів. У другому – присутнє нейтральне положення. На рис. 6 представлено умовні зображення деяких видів контактів. Крім того, контакти можуть виконувати різні функції: контактора, роз’єднувача, вимикача і т. п. Всі вони також мають умовне позначення і наносяться на відповідні контакти.

Рис. 6. Умовне зображення контактів

10.04.2026р.

Тема програми: 8. Електричні апарати

Тема уроку № 14. Загальні відомості про електричні апарати.

Працюємо з підручником:

https://lib.imzo.gov.ua/wa-data/public/site/books2/pidrucnnyky-posibnyky-profosvita/Litera-Elektrotehnika.pdf

Опрацювати матеріал.

1. Електричні апарати.

2. Електромагнітне реле.

3. Герконове реле.

Д.З. Оформити конспект. Дати відповіді на питання:

1. Яке призначення електричних апаратів.

2. Чому електричні апарати називають комутаційними.

3. Опишіть будову електромагнітного реле.

4. Замалюйте схему електромагнітного реле.

5. Яке призначення герконового реле.

6. Опишіть будову геркона.

7. Замалюйте схему будови геркона.

Електромагнітні та електричні пристрої комутації. Електромагнітне реле

Одним із електричних елементів у схемах автоматики є електромагнітне реле. Реле – це автоматичний прилад, який замикає або розмикає електричне коло залежно від певних зовнішніх факторів, на які він реагує. Основною властивістю реле є можливість керувати досить потужними виконавчими електричними механізмами.

Типова практика застосування потужних електромагнітних реле – це комутація навантажень змінного струму напругою 220 В або постійного струму від 5 до 24 В при струмах комутації до 10–16 А. Звичайними навантаженнями для контактних груп потужних реле є нагрівачі, вентилятори, нагрівальні прилади, лампи розжарювання, електромагніти та інші активні, індуктивні і ємнісні споживачі електричної потужності в діапазоні від 1 Вт до 2–3 кВт. На практиці навантаження зазвичай відрізняються малою індуктивністю, точніше, малою сталою часу (інерційністю) – не більше 10 мс, невеликими перевантаженнями за струмом при вмиканні й відсутністю викидів напруги при вимиканні.

Контакти реле добре комутують низьковольтні індуктивні навантаження, але у разі зростання напруги від 30 В поступово з’являються технічні проблеми й наростають у міру збільшення потужності навантаження (при напрузі вище 100 В та струмі навантаження більше 0,1 А).

Зі змінним струмом все набагато складніше, особливо якщо треба комутувати індуктивні навантаження при напрузі, скажімо, 220 В. Електродвигуни, наприклад, не тільки створюють при вмиканні десятикратні перевантаження за струмом, а й віддають у коло живлення високовольтні сплески напруги при вимкненні. Контакти реле тут отримують подвійне навантаження: перший раз від перевантаження за струмом при вмиканні електродвигуна, другий раз – від іскріння, викликаного високою напругою самоіндукції.

Подібно до електродвигуна працює й соленоїд, повним аналогом якого є звичайний у промисловій електротехніці магнітний пускач. Для таких випадків комутації основне навантаження на контакти реле створює перевантаження за струмом, наприклад, при розгоні електродвигунів, і за напругою високовольтна самоіндукція, характерна, наприклад, для електромагнітних клапанів.

Особливими є навантаження від ламп розжарювання: при вмиканні холодна нитка розжарювання має в 10 разів менший опір, ніж коли вона розігріта. Час розігрівання нитки досить тривалий: за змінного струму тривалість прогрівання для лампи потужністю 100 Вт становить 300 мс, тому лампа розжарювання сильно навантажує контакти реле. На рис. 1 зображена схема електромагнітного реле.

Рис. 1. Схема електромагнітного реле:

1 – котушка; 2 – осердя; 3 – пружина, що відтягує; 4 – гайка регулювання; 5 – якір; 6 – контакти; 7 – короткозамкнений виток

При проходженні струму i в обмотці котушки якір притягується до осердя, замикаючи контакти, які приварені до пружних пластин із фосфористої бронзи. Усі металеві деталі кріпляться на ебонітовій основі. При знеструмленні обмотки реле якір 5 повертається у вихідний стан пружиною 3 і струмопровідні контакти реле 6 розмикаються.

Реле спрацьовує (замикаються контакти) при певному струмі – струмі спрацювання Iсс. Для отримання надійного контакту обмотку осердя реле живлять струмом, який у 3–4 рази перевищує струм спрацювання. Струм, при якому якір відривається від осердя, називають струмом відпускання Iвідп. Внаслідок гістерезису магнітної системи реле струм відпускання стає у декілька разів меншим за струм спрацювання.

Електромагнітне реле можна зробити чуттєвим до полярності напруги, підведеної до обмотки осердя. Цього досягають завдяки деяким ускладненням конструкції реле та підмагнічуванню осердя за допомогою вбудованого постійного магніту. При цьому керуюча напруга позитивної полярності викликає замикання однієї пари контактів, а при зміні полярності напруги якір відхиляється в протилежну сторону та замикає іншу пару контактів. Таке реле називається поляризованим.

Ще один різновид реле – герконове. Загальний вигляд реле і самих герконів зображено на рис. 2. Геркон – герметичний контакт, керований магнітним полем, що створюється спеціальною котушкою індуктивності.

Перший геркон був розроблений у 1936 р. американською компанією Bell Telephone Laboratories.

На основі герконів випускаються датчики магнітного поля для різних сфер – від побутової техніки до авіації та космонавтики.

Рис. 2. Загальний вигляд герконового реле (а) і герконів (б)

Схематичне зображення будови геркона розміщено на рис. 3. Геркон складається з двох феромагнітних провідників, що мають плоскі контакти, розміщених у скляній капсулі. Без зовнішнього магнітного поля контакти розімкнуті і між ними є невеликий діелектричний зазор. У магнітному полі контакти замикаються. У порожнину капсули зазвичай закачують азот.

Рис. 3. Схематичне зображення будови геркона

Геркони комутують електричні ланцюги постійного і змінного струму частотою до 10 кГц з активним та індуктивним навантаженням напругою до 300 В, силою струму до 4 А.

Вітчизняною промисловістю геркони випускаються на замкнення, розімкнення і на переключення.

Умовне позначення геркона складається з шести елементів.

Перший елемент визначає умовне найменування геркона: МК – контакт герметизований.

Другий елемент вказує на схему комутації геркона: А – замикає, В – розмикає, З – перемикає, Д – перекидає.

Третій елемент – Р – присутній тільки у ртутних герконах.

Четвертий елемент вказує на довжину геркона в міліметрах і складається з двох цифр.

П’ятий елемент вказує на функціональне призначення геконів: 1 – малої і середньої потужності, 2 – підвищеної потужності, 3 – потужні, 4 – високовольтні, 5 – високочастотні, 6 – з «пам’яттю», 7 – спеціальні, 8 – вимірювальні.

У позначенні можуть зазначатися одна або дві ознаки. Геркони, що характеризуються двома ознаками, позначаються двома цифрами, які розташовують у порядку зростання. Геркони, що характеризуються однією ознакою, позначаються цифрою, після якої додається нуль. Наприклад: геркон МКА-27101 замикає, з балоном довжиною 27 мм, малої та середньої потужності, першої модифікації для застосування в комутаційних матрицях і інших ланцюгах; геркон МКС-15101, що переключає, з балоном довжиною 15 мм, малої та середньої потужності, першої модифікації.

Твердотільне реле – електронний пристрій, що функціонально є реле без механічних рухомих частин, тобто служить для вмикання і вимикання потужного ланцюга за допомогою низької напруги, яка здійснює відповідне керування. Твердотільні реле зображено на рис. 4.

Твердотільні реле – це електричний пристрій, побудований на напівпровідникових елементах і силових ключах, таких як симістори чи транзистори.

Рис. 4. Зовнішній вигляд твердотільного реле

Як електромагнітні реле, так і інші комутаційні прилади призначені, щоб слабким сигналом керувати навантаженням з великою напругою або струмом.

У твердотільних реле немає котушки керування і немає рухомої контактної групи. У них замість силових контактів використовують напівпровідникові ключі: транзистори, симістори, тиристори та інші електричні елементи залежно від сфери застосування. Це є головною відмінністю напівпровідникового реле від електромагнітного. У зв’язку з цим у твердотільного реле значно більший термін служби, оскільки немає механічного зносу контактної групи.

Також варто відзначити, що і швидкодія напівпровідникових реле вища, ніж електромагнітних.

Крім відсутності механічного зносу, немає й іскор або дуг при комутації,

як і звуків від ударів контактів при перемиканні. До речі, якщо немає іскор і дугових розрядів при комутації, твердотільні реле можуть працювати у вибухонебезпечних приміщеннях.

10.04.2026р.

Тема програми: 7. Електричні машини.

Тема уроку № 13. Електричні машини постійного струму.

Працюємо з підручником:

https://lib.imzo.gov.ua/wa-data/public/site/books2/pidrucnnyky-posibnyky-profosvita/Litera-Elektrotehnika.pdf

Опрацювати матеріал.

1. Електричні машини.

2. Електричні машини постійного струму.

3. Генератори та двигуни постійного струму та їхнє призначення

Д.З. Оформити конспект. Дати відповіді на питання:

1. Яке призначення електричних машин.

2. Чому електричні машини постійного струму вважаються енергетично зворотні.

3. Які переваги мають електричні двигуни постійного струму.

4. Що відносять до недоліків електричних двигунів постійного струму.

5. Опишіть відмінності електричних двигунів з послідовним збудженням, паралельним та змішаним.

Електричні машини постійного струму енергетично зворотні, тобто вони можуть бути як двигунами, так і генераторами. На сьогодні машини постійного струму широко застосовують як двигуни і меншою мірою як генератори. Це пояснюється перевагою двигунів постійного струму над іншими електродвигунами.

Двигуни постійного струму (ДПС) мають такі переваги:

- можливість плавного регулювання частоти обертання;

- кращі пускові якості: вони можуть розвивати великий пусковий момент при відносно невеликому струмі.

Завдяки цьому їх широко використовують як тягові двигуни на електротранспорті (електрокари), а також у промисловому виробництві. Крім того,

ДПС є виконавчими ланками систем автоматичного регулювання.

Генератори напругою 6–12 В часто застосовують для зарядки акумуляторних батарей.

На підприємствах використовують промислових роботів (ПР), які дали змогу звільнити людину від важких або ручних операцій, у тому числі і шкідливих робіт, а отже перейти до комплексної автоматизації серійного виробництва. Слідкуючі приводи ПР створюють на базі електродвигунів постійного струму зі збудженням від постійних магнітів. До переваги цих двигунів слід віднести їхню малу інерційність, високий ККД і незалежність магнітного потоку збудження від зміни температури навколишнього середовища.

Загальним недоліком ДПС є складність їхньої конструкції, що пов’язано із щітко-колекторним механізмом, який здійснює постійну перекомутацію ланцюгів електричної машини, через що виникає іскріння. Це знижує надійність машин та обмежує сферу їх застосування.

Істотним недоліком ДПС є необхідність попереднього перетворення для них електричної енергії змінного струму на електричну енергію постійного струму.

Електродвигуни постійного струму мають хороші регулювальні властивості, значну перевантажувальну здатність:

- вони дають можливість плавно регулювати частоти обертання ротора простими способами;

- двигуни постійного струму мають великі пускові моменти за малих пускових струмів.

Можливість створення електродвигуна постійного струму продемонстрував М. Фарадей у 1821 р.; у створеному ним приладі провідник, яким пропускали постійний струм, обертався навколо магніту.

Принцип оборотності електричних машин був уперше сформульований російським фізиком – академіком Е. X. Ленцом.

Генератори і двигуни постійного струму мають однакову конструкцію. Нерухома частина машини, статор (рис. 1), складається з масивного сталевого корпусу, до якого прикріплені полюсні наконечники 1 з обмоткою збудження 2. Струм, що проходить по обмотці збудження, створює основне магнітне поле машини.

Якір – рухома частина електричної машини. Являє собою осердя з окремих листів електротехнічної сталі, що запресовані на вал 3. В осерді нарізані пази, у які укладена обмотка якоря. Кінці обмотки виведено в колектор 4. Із зовнішнім ланцюгом обмотка якоря з’єднується з допомогою колектора і електрографітових щіток 5. Колектор у зібраному стані насаджують на вал якоря. Обертова обмотка якоря з’єднується із зовнішнім ланцюгом ковзним контактом між щітками і колектором.

Колектор є електромеханічним перетворювачем і забезпечує створення постійного за напрямом обертового моменту (для двигунів) шляхом зміни напрямку струму в провідниках якірної обмотки, що переміщаються із зони одного полюса в зону іншого.

Рис. 1. Загальний вигляд електричної машини постійного струму

У генераторах колектор забезпечує випрямлення змінної ЕРС, що індукована обертовою обмоткою якоря.

Недоліком машин постійного струму є наявність щіток колекторного апарата, що вимагає ретельного догляду та експлуатації і знижує надійність роботи машини.

Тому останнім часом генератори постійного струму в стаціонарних установках витісняються напівпровідниковими перетворювачами, а в транспорті – синхронними генераторами, що працюють спільно з напівпровідниковими випрямлячами.

Робота електричного генератора постійного струму заснована на явищі електромагнітної індукції.

Найпростішим генератором є рамка (виток), що обертається в магнітному полі (рис. 2).

Рис. 2. Рамка, що обертається в магнітному полі

В електричних генераторах застосовують не один виток, а кілька десятків. Ці витки, сполучені відповідним чином, утворюють обмотку якоря генератора. При обертанні обмотки якоря в магнітному полі генератора в кожному витку обмотки виникає ЕРС. Якщо до генератора підключений споживач, то в ланцюзі «генератор – споживач» піде струм.

Для обертання обмотки якоря необхідний первинний двигун – дизель, турбіна, колісна пара і т. д. Для створення магнітного поля в генераторі на обмотку збудження подається струм від первинного джерела, наприклад акумулятора.

Принцип роботи електричного двигуна заснований на виникненні електромагнітної сили, що діє на рамку зі струмом у магнітному полі (рис. 3).

Рис. 3. Пристрій із рамкою зі струмом у магнітному полі для виникнення електромагнітної сили

Якщо помістити в магнітне поле не прямолінійний провідник, а виток (або котушку) зі струмом і розташувати його вертикально, то, використовуючи правило лівої руки, можна визначити напрямок електромагнітної сили, що діє на кожну сторону витка. Під дією електромагнітної сили сторона ab рухається справа наліво, а сторона сd зліва – направо. Пара електромагнітних сил, що при цьому виникає, приведе до повороту витка, тобто утворюється обертовий момент.

Виток буде повертатися в магнітному полі доти, поки він не займе положення, перпендикулярне магнітним силовим лініям поля. При такому положенні через виток проходитиме найбільший магнітний потік. Властивість витка і котушки зі струмом повертатися в магнітному полі широко використовують в електротехніці. Електричні двигуни та ряд електровимірювальних приладів працюють за цим принципом.

Електричні двигуни випускаються промисловістю з послідовним збудженням, паралельним та змішаним.

У двигунів з послідовним збудженням обертовий момент за навантаження зростає більше, ніж у двигунів з паралельним збудженням, при цьому частота обертання двигуна зменшується. Ця властивість визначає широке застосування ДПС у міському транспорті.

Однак не можна запускати двигун з послідовним збудженням без навантаження, оскільки частота обертання двигуна може перевищити допустиму, а це може призвести до аварії – двигун іде «в рознос».

Двигуни з паралельним збудженням забезпечують стійку частоту обертання за різного навантаження, і в них є можливість плавного регулювання цієї частоти обертання. Тому ДПС з паралельним збудженням застосовуються для електроприводу, що вимагає сталості частоти обертання за різного навантаження і плавного регулювання.

У ДПС зі змішаним збудженням на полюсі є дві обмотки збудження, одна з яких під’єднується послідовно до обмотки якоря, а друга – паралельно. ДПС зі змішаним збудженням мають найбільший пусковий момент і застосовуються там, де потрібні значні пускові моменти або можливі короткочасні перевантаження і великі прискорення – наприклад для пуску компресорів.

31.03.2026р.

Тема програми: 7. Електричні машини.

Тема уроку № 12. Електричні машини змінного струму.

Працюємо з підручником:

https://lib.imzo.gov.ua/wa-data/public/site/books2/pidrucnnyky-posibnyky-profosvita/Litera-Elektrotehnika.pdf

https://youtu.be/6g1MfD1Cfuw?si=B-QTigOfBAF-nCy0

Опрацювати матеріал.

1. Електричні машини.

2. Електричні машини змінного струму.

3. Запуск асинхронних двигунів.

Д.З. Оформити конспект. Дати відповіді на питання:

1. Що називають асинхронним двигуном?

2. Де застосовуються асинхронні двигуни?

3. Який принцип дії асинхронного двигуна?

4. Опишіть будову асинхронного двигуна.

5. Чим відрізняються біфілярні (з пусковою обмоткою) і конденсаторні двигуни?

6. Чим відрізняється асинхронні двигуни з короткозамкненим і фазним ротором?

7. Як з’єднуються обмотки двигуна?

8. Опишіть правила маркування асинхронних двигунів.

Електричні машини широко використовують на електростанціях, у транспорті, промисловості, системах електроприводу, будівництві, системах автоматичного регулювання і контролю. Електричні двигуни – це машини, які перетворюють електричну енергію на механічну. За принципом роботи електричні машини змінного струму можуть бути синхронні та асинхронні.

Асинхронна машина – це машина, у якої ротор обертається з частотою меншою, ніж частота обертання магнітного поля, створюваного обмоткою статора. Асинхронні двигуни становлять понад 95 % усіх електродвигунів, які використовують у народному господарстві. За конструкцією ротора їх поділяють на двигуни з короткозамкненим ротором і двигуни з фазним ротором.

Асинхронні двигуни збуджуються змінним струмом. Їх поділяють на безколекторні (основний тип) та колекторні.

Асинхронні безколекторні двигуни випускають двох основних видів: двигун із короткозамкненим ротором та двигун із фазним ротором (з контактними кільцями).

Незалежно від типу будь-який двигун змінного струму складається з двох частин: нерухомої частини (називається статор) і рухомої (обертової) частини (називається ротор).

За числом фаз двигуни змінного струму бувають: однофазні, двофазні та трифазні.

Переваги асинхронних двигунів: простота і дешевизна, надійність у роботі, достатньо високий ККД.

Недоліки асинхронних двигунів: споживання індуктивного струму, який, намагнічуючи статор, призводить до зниження cos φ мережі; неможливість плавного регулювання частоти обертання валу в широких межах (існують електронні засоби регулювання частоти обертання валу двигуна шляхом зміни частоти змінного струму, але вони достатньо складні і коштують дорого); погані пускові характеристики у двигунів із короткозамкненим ротором.

Однофазний асинхронний двигун

У системах однофазного струму використовують однофазні асинхронні двигуни.

Є два типи однофазних асинхронних двигунів – біфілярні (з пусковою обмоткою) і конденсаторні. Відмінність полягає в тому, що в біфілярних однофазних двигунах пускова обмотка працює тільки до розгону мотора. Після цього вона вимикається спеціальним пристроєм – відцентровим вимикачем або пускозахисним реле (в холодильниках), оскільки після розгону вона знижує ККД.

У конденсаторних однофазних двигунах конденсаторна обмотка працює весь час. Дві обмотки – основна і допоміжна – зміщені відносно одна одної на 90°. Завдяки цьому можна змінювати напрямок обертання. Конденсатор на таких двигунах зазвичай кріпиться до корпусу.

Визначити тип двигуна можна за допомогою вимірювань обмоток. Якщо опір допоміжної обмотки менший у два рази (різниця може бути ще більшою), швидше за все, це біфілярний двигун і ця допоміжна обмотка пускова, а отже, у схемі повинен бути присутній вимикач або пускове реле.

Зауважимо, що потрібно знати, де пускова, а де робоча обмотка однофазного двигуна. Пускова і робоча обмотки однофазних двигунів відрізняються і за перерізом проводу, і за кількістю витків. Робоча обмотка однофазного двигуна завжди має більший переріз проводу, а отже, її опір буде меншим.

У конденсаторних двигунах обидві обмотки постійно працюють, і увімкнути однофазний двигун можна за допомогою звичайної кнопки, тумблера, автоматичного вимикача.

На рис. 1 зображено загальний вигляд асинхронного однофазного двигуна.

Рис. 1. Загальний вигляд асинхронного однофазного двигуна

Двофазні асинхронні конденсаторні двигуни. Двофазний асинхронний двигун має на статорі дві обмотки, які займають однакову кількість пазів і зсунуті в просторі одна відносно одної на 90°. Одну обмотку – головну – вмикають безпосередньо в однофазну мережу, а іншу – допоміжну – через робочий конденсатор (рис. 2). На відміну від розглянутого вище однофазного асинхронного двигуна з пусковою обмоткою, у конденсаторному двигуні допоміжна обмотка після запуску не вимикається, а залишається увімкненою протягом усього часу роботи, причому змінюється ємність конденсатора.

Найбільший обертовий момент двигун розвиває у разі створення кругового магнітного потоку. У деяких випадках у конденсаторних двигунах, щоб не обирати режим, коли обертовий момент приймає максимальні значення (під час пуску або в номінальному режимі), передбачають зменшення ємності конденсатора в робочому режимі. Після розгону двигуна від’єднують пусковий конденсатор СП. Ця операція виконується автоматично, коли частота обертання досягає 75–80 % від номінальної.

Рис. 2. Електрична схема конденсаторного двигуна:

з пусковим і робочим конденсаторами (а), з порожнистим ротором (б)

У двофазному двигуні, на відміну від трифазного, можна плавно регулювати частоти обертання, тому двофазні двигуни використовують в автоматичних пристроях в якості керованих двигунів. Застосовують два способи: зміну діючого значення напруги і зміну ємності робочого конденсатора.

Цікавими є двигуни з порожнистим ротором. Ротор – циліндр із латуні, міді або алюмінію, який може обертатися в повітряному зазорі між зовнішнім і внутрішнім статорами. Обертове поле спричинює вихрові струми в циліндрі-роторі, які взаємодіють із магнітним полем у повітряному проміжку і створюють обертовий момент двигуна. Циліндр розвиває асинхронну частоту обертання, яка відповідає навантаженню на вал. Головна відмінність таких двигунів – мала інерційність ротора, що є важливим для систем, які швидко реагують на керуючий сигнал.

Конденсаторні асинхронні двигуни за пусковими і робочими характеристиками наближаються до трифазних асинхронних двигунів, мають ККД η = 0,5–07 та коефіцієнт потужності 0,8–0,95. Їх широко застосовують в електроприводах малої потужності, в побутових приладах і в лабораторній практиці. За потужностей більших за 1 кВт вони використовуються менше – внаслідок значних розмірів конденсаторів і вартості.

Однофазні та двофазні двигуни застосовують у системах автоматичного керування, побутових приладах і промислових пристроях. Для живлення таких двигунів потрібна однофазна мережа, що дає в одних випадках економію, в інших – зручність в експлуатації. Порівняно з трифазними двигунами однофазні асинхронні двигуни мають суттєві недоліки: малу перенавантажувальну здатність, низький ККД, менший коефіцієнт потужності.

Універсальні асинхронні двигуни. Універсальні асинхронні двигуни – це трифазні машини малої потужності, які приєднують як до трифазної, так і до однофазної мереж. У разі живлення від однофазної мережі пускові і робочі характеристики двигунів дещо гірші, ніж у трифазному режимі. Наприклад, універсальні двигуни серії УАД виготовляють дво- і чотириполюсними, які у трифазному режимі мають номінальну потужність від 1,5 до 70 Вт, а в однофазному – від 1 до 55 Вт і працюють від мережі змінної напруги промислової частоти з ККД 0,09–0,65.

Колекторний двигун змінного струму. Крім асинхронних безколекторних двигунів, на практиці застосовуються асинхронні колекторні двигуни змінного струму, наприклад для привода побутових електричних приладів (пилососів, вентиляторів, швейних машин тощо).

Якщо в обмотці двигуна постійного струму одночасно змінити напрямки струмів збудження основного магнітного поля нерухомої частини та магнітного поля якоря, то напрямок обертового моменту не зміниться. Одночасна зміна напрямків струмів збудження основного магнітного поля нерухомої частини та магнітного поля якоря легко відтворюється у двигуні постійного струму з послідовним збудженням. Таким чином машина постійного струму з послідовним збудженням може працювати на змінному струмі, тобто бути електричним колекторним двигуном змінного струму.

Конструктивно колекторні двигуни змінного струму є аналогічними двигунам постійного струму з послідовним збудженням. Враховуючи, що у статорі двигуна змінного струму виникає змінний магнітний потік, статор виготовляють з тонких пластин електротехнічної сталі, тоді як осердя нерухомої частини машини постійного струму виготовляють із прокатної сталі.

Колекторні двигуни змінного струму розвивають високий пусковий та обертовий моменти, мають високу швидкість обертів валу (до 20 000 об/хв).

Недоліками колекторних двигунів змінного струму є складність виготовлення, наявність колектора, низька надійність у роботі.

Трифазні асинхронні двигуни. Трифазний асинхронний двигун складається з нерухомого статора 1 і рухомого ротора 2. Три обмотки 3 розміщені в пазах на внутрішній стороні сердечника статора. Обмотка ротора асинхронного двигуна не має електричного з’єднання з мережею і з обмоткою статора. Початок і кінці фаз обмоток статора приєднують до затискачів у клемній коробці за схемами «зірка» або «трикутник». Асинхронні двигуни в основному різняться конструкцією обмотки ротора. Залежно від цієї конструкції ротори поділяються на короткозамкнені та фазні. На рис. 3 зображено асинхронний двигун з короткозамкненим ротором.

Рис. 3. Асинхронний двигун з короткозамкненим ротором:

1 – статор; 2 – ротор; 3 – обмотки

Обмотка короткозамкненого ротора асинхронного двигуна виконується на циліндрі з мідних стрижнів і називається «білячою кліткою», загальний вигляд якої зображено на рис. 4.

Торцеві кінці стрижнів замикають металевими кільцями. Пакет ротора набирають з електротехнічної сталі. У двигунах меншої потужності стрижні заливають алюмінієм.

Рис. 4. Загальний вигляд «білячої клітки»

Асинхронний двигун із фазним ротором зображено на рис. 5. Фазний ротор і статор мають трифазну обмотку. Фази обмотки з’єднують «зіркою» або «трикутником» і її вільні кінці виводять на ізольовані контактні кільця 4. На рис. 6 зображено загальний вигляд фазного ротора.

Обмотка статора (фази) асинхронного двигуна у вигляді трьох котушок покладена в пази, що розташовані під кутом у 120°. Початки і кінці фаз позначаються відповідно буквами A, B, C і X, Y, Z. При подачі на фази трифазної напруги в них будуть проходити струми Ia, Ib, Ic, які всередині машини створюють власне обертове магнітне поле. Якщо обертове магнітне поле перетинає короткозамкнену обмотку, то в ній виникає ЕРС і проходить струм. Струм ротора створює навколо нього магнітне поле. Взаємодія магнітного поля ротора з обертовим магнітним полем статора призводить до утворення великої кількості пар електромагнітних сил, які прагнуть повернути ротор у напрямку руху електромагнітного поля статора. Ротор, починаючи обертання, набуває певної швидкості, магнітне поле і ротор обертаються з різними швидкостями, тобто асинхронно. Швидкість обертання ротора завжди менша від швидкості обертання магнітного поля статора.

Рис. 5. Асинхронний двигун із фазним ротором:

1 – статор; 2 – ротор; 3 – обмотки; 4 – контактні кільця

Рис. 6. Загальний вигляд фазного ротора

Запуск асинхронних двигунів. До запуску двигуна висуваються такі вимоги:

- процес запуску повинен бути простим і здійснюватися без складних пускових пристроїв;

- пусковий момент повинен бути досить великим, а пусковий струм, по можливості, малим.

Іноді до цих вимог додаються й інші, зумовлені особливостями конкретних приводів, у яких використовуються двигуни, а саме: плавний запуск, найбільший пусковий момент та ін. На практиці використовують такі способи запуску:

– безпосереднє підключення обмотки статора до мережі (прямий запуск);

– зниження напруги, що підводиться до обмотки статора під час запуску;

– підключення до обмотки ротора пускового реостата.

Прямий запуск застосовується для запуску асинхронних двигунів із короткозамкненим ротором. Двигуни цього типу малої і середньої потужності зазвичай проектують так, щоб при безпосередньому підключенні обмотки статора до мережі живлення пускові струми не створювали надмірних електродинамічних зусиль і перевищень температури, небезпечних із точки зору механічної і термічної міцності основних елементів машини. Однак під час прямого запуску двигунів великої потужності, особливо за підключення їх до недостатньо потужних електричних мереж, можуть виникати великі падіння напруги (понад 10–15 %). У цьому випадку прямий запуск двигунів із короткозамкненим ротором не застосовують і запускають їх за зниженої напруги. Прямий запуск асинхронного двигуна широко застосовують у техніці.

Його недоліками є великий пусковий струм і порівняно невеликий пусковий момент.

Пуск за зниженої напруги застосовують для запуску асинхронних двигунів із короткозамкненим ротором великої потужності, а також для двигунів середньої потужності за недостатньо потужних електричних мереж.

Зниження напруги здійснюють такими способами:

– перемиканням обмотки статора під час запуску з робочої схеми «трикутник» на пускову схему «зірка». У цьому випадку фазна напруга, що подається на обмотку статора, зменшується в √3 разів, що зумовлює зменшення фазних струмів у √3 разів і лінійних струмів – у 3 рази. По закінченні процесу запуску і розгону двигуна до номінальної частоти обертання обмотку статора перемикають назад на схему «трикутник»;

– включенням у ланцюг обмотки статора на період запуску додаткових резисторів або реакторів. При цьому на зазначених апаратах створюють падіння напруги ΔU, пропорційне пусковому струму, внаслідок чого до обмотки статора буде докладена знижена напруга U1 – ΔU.

У міру збільшення частоти обертання ротора двигуна зменшується ЕРС, що індукована в обмотці ротора, а отже зменшується і пусковий струм. У результаті цього зменшується падіння напруги ΔU і автоматично зростає прикладена до двигуна напруга підключенням двигуна до мережі через понижуючий автотрансформатор. Останній може мати кілька ступенів, які в процесі запуску двигуна перемикаються відповідною апаратурою.

Недоліком всіх зазначених способів є значне зменшення пускового і найбільшого обертового моментів двигуна, які пропорційні квадрату прикладеної напруги. Тому вони можуть застосовуватися тільки для запуску двигуна без навантаження.

Трифазний асинхронний двигун може працювати від однофазної мережі, якщо з’єднати його обмотки певним чином, створивши двофазний двигун (рис. 7).

Рис. 7. Схеми увімкнення трифазних асинхронних двигунів

в однофазну мережу

Слід мати на увазі, що трифазний асинхронний двигун може раптово опинитися в однофазному режимі в разі обриву лінійного проводу, перегоряння запобіжника чи порушення контакту. Якщо таке трапиться до запуску двигуна, то він не рушить з місця; якщо під час роботи двигуна, то двигун продовжить обертання (за винятком важкого режиму, коли гальмівний момент на валу стане більшим за обертовий і двигун зупиниться).

Маркування асинхронних двигунів. До кожного двигуна додається паспорт; крім того, на корпусі двигуна закріплюють паспортну табличку. В паспортній табличці вказують такі відомості: тип електродвигуна, заводський номер, номінальну напругу мережі живлення, номінальний струм, що споживається двигуном, номінальну потужність двигуна, швидкість обертання валу ротора за номінального навантаження, коефіцієнт потужності за номінального навантаження, коефіцієнт корисної дії за номінального навантаження, частоту струму мережі живлення, рік випуску, вагу. Також вказують ступінь захисту оболонки, кліматичне виконання та категорію розміщення.

У маркуванні типу електродвигуна міститься інформація про серію, вид двигуна та габарит.

Приклад маркування асинхронного двигуна: 4АНА90LB8У3. Розшифровується так: 4 – номер серії; А – вид двигуна (асинхронний); Н – ступінь захисту оболонки ІР23; А – алюмінієва станина та щити; 90 – висота осі обертання, мм; L – довжина корпусу; В – довжина осердя; 8 – кількість полюсів; У – кліматичне виконання; 3 – категорія розміщення.

24.03.2026р.

Тема програми: 6. Трансформатори.

Тема уроку № 11. Трифазні трансформатори. Групи з’єднання обмоток.

Працюємо з підручником:

https://lib.imzo.gov.ua/wa-data/public/site/books2/pidrucnnyky-posibnyky-profosvita/Litera-Elektrotehnika.pdf

Опрацювати матеріал.

1. Трифазні трансформатори.

2. Будова трифазних трансформаторів.

3. Групи з’єднання обмоток трифазних трансформаторів.

Д.З. Відповісти на питання:

1. Яке призначення трансформатора.

2. Як класифікують трансформатори.

3. Опишіть будову трансформатора.

4. Чим відрізняється силовий трансформатор.

5. Яке призначення тягового трансформатора.

6. Опишіть будову трифазного трансформатора.

7. Як позначають групу з’єднань обмоток трансформаторів.

8. Замалюйте схеми з’єднання обмоток трифазних трансформаторів.

9. Замалюйте ще один вид умовного позначення на електричних схемах трифазного трансформатора.

Трансформатори. Загальна характеристика і галузі застосування трансформаторів.

Трансформатором називається статичний (без рухомих частин) електромагнітний пристрій, призначений для перетворення електричної енергії однієї змінної напруги в електричну енергію іншої змінної напруги.

Трансформатори класифікуються за такими основними ознаками:

- залежно від мережі живлення: однофазні, багатофазні (у тому числі трифазні); імпульсні.

- за співвідношенням напруг: підвищувальні, знижувальні .

- за кількістю вторинних обмоток: однообмоткові і багатообмоткові .

- за призначенням: силові, зварювальні, вимірювальні та інші.

- за способом охолодження: повітряні (сухі) і масляні.

Основні галузі застосування трансформаторів:

1. Системи енергопостачання. У системах енергопостачання електрична енергія виробляється на великих електростанціях: атомних (АЕС), теплових (ТЕС), гідроелектростанціях (ГЕС). Вироблену електричну енергію необхідно передати на значну відстань і розподілити на великій території, яка в деяких випадках охоплює території декількох країн. Для зменшення втрат електричної енергії за допомогою силового підвищувального трансформатора напругу з виходу генератора підвищують, передають електричну енергію за допомогою ліній електропередач (ЛЕП) на значну відстань. Розподіляють електричну енергію на знижувальних трансформаторних підстанціях різних рівнів, каскадно знижуючи напруги, і підводять напругу за допомогою електричної мережі до кожного споживача.

2. Промислова та побутова електроніка, де трансформатори застосовуються у вторинних джерелах електроенергії, для гальванічного розділення електричних кіл, для узгодження опорів пристроїв, для передачі та перетворення імпульсів.

3. Вимірювання струмів і напруг у потужних енергосистемах за допомогою спеціальних вимірювальних трансформаторів.

Будова і принцип дії трансформаторів. Трансформатор складається з первинної 1 та вторинної 2 обмоток і магнітопроводу 3 (рис. 1).

Рис.1. Будова трансформаторів:

1 – первинна обмотка; 2 - вторинна обмотка; 3 – магнітопровід.

Первинна обмотка — це обмотка, ввімкнена до джерела електричної енергії (здебільшого до електричної мережі).

До вторинної обмотки вмикають споживач електричної енергії.

Магнітопровід призначений для магнітного зв’язку первинної та вторинної обмоток. Магнітопровід трансформатора виготовляють з тонких (0,35...0,5 мм) листів електротехнічної сталі для зменшення втрат, зумовлених вихровими струмами.

Магнітопроводи трансформаторів малої потужності, призначених для роботи в діапазоні високих частот, пресують із порошкових матеріалів (магнітодіелектриків та феритів).

Обмотки трансформаторів виготовляють у вигляді циліндричних котушок з мідних або алюмінієвих, ізольованих один від одного, проводів круглого або прямокутного перерізів. Первинну і вторинну обмотки розміщують на одному стержні.

Обмотки нижчої напруги (НН) розміщують ближче до магнітопроводу, а обмотки вищої напруги (ВВ) розміщують зверху. Між обмотками знаходиться ізоляційний циліндр. Силові трансформатори мають, крім того, систему охолодження (рис. 2).

Рис.2. Тяговий трансформатор ОДЦЄ-5000/25

1 — захисна сітка масляної секції; 2 — масляний трубопровід; 3 — піддон; 4 — масляна секція; 5 — бак; 6 — нижня ярмова балка; 7 — обмотка; 8 — селікогелевий патрон; 9 — повітропровід охолодження масла; 10 — опорна балка; 11-маслолрокачуючий насос; 12 — манометр тиску масла; 13 — опора головного контролера; 14 — виводи мережевої обмотки; 15 — виводи вторинної обмотки; 16 — кришка бака; 17 — розширювальний бачок; 18 — заливочна горловина

Для перетворення електричної енергії трифазного струму можна застосовувати або три однофазних трансформатори, або один трифазний трансформатор (рис. 3).

На осерді трифазного трансформатора розташовані первинна і вторинна обмотки окремих фаз.

Затискачі обмоток вищої напруги позначаються великими літерами: А, В, С – початки обмоток; Х, Y, Z – кінці обмоток. Затискачі обмоток нижчої напруги позначені малими літерами: a, b, c – початки обмоток; x, y, z – кінці обмоток.

Рис. 3. Трифазний трансформатор

На (рис. 4) зображено загальний вигляд трифазного трансформатора з оливним охолодженням.

Рис. 4. Загальний вигляд трифазного трансформатора з оливним охолодженням

Для трифазних трансформаторів позначають схему та групу з’єднань. Схема з’єднань – спосіб з’єднання обмоток трансформатора. Обмотки трифазного трансформатора можуть бути з’єднані «зіркою» (позначення Y) і «трикутником» (позначення Δ). Можливі схеми з’єднання: Y / Y, Δ / Δ, Y / Δ, Δ / Y.

Група з’єднань – цифри, які позначають кут зсуву вторинної лінійної напруги відносно первинної лінійної напруги, що необхідно знати при вмиканні трансформаторів у паралельну роботу.

Групу з’єднань позначають цифрами 12, 11 або 1. Цифра 12 означає кут зсуву 360º, цифра 11 – 330º, цифра 1 – 390º.

Рис.5. Будова трифазного трансформатора.

Рис. 6. Схеми з’єднання обмоток трифазних трансформаторів

На рис. 7 зображено умовне позначення трифазного трансформатора на електричних схемах.

Рис. 7. Умовне позначення на електричних схемах трифазного трансформатора

Маркування трансформаторів здійснюють шляхом нанесення на паспортну табличку певної буквено-цифрової абревіатури.

Перша літера – вид трансформатора: А – автотрансформатор, відсутність літери – трансформатор.

Друга літера – кількість фаз: Т – трифазний трансформатор, О – однофазний трансформатор.

Третя літера – наявність розщепленої обмотки нижчої напруги – літера Р (може не бути).

Четверта літера (група літер) – позначення системи охолодження:

С – природне повітряне охолодження та відкрите виконання;

СЗ – природне повітряне охолодження та захищене виконання;

СГ – природне повітряне охолодження та герметичне виконання;

СД – примусове повітряне охолодження;

М – природне оливне охолодження;

Д – природне оливне охолодження з примусовим повітряним охолодженням;

ДЦ – оливне охолодження із примусовою циркуляцією та примусове повітряне охолодження;

МВ – оливо-водяне охолодження із природною циркуляцією оливи;

Ц – оливо-водяне охолодження із примусовою циркуляцією оливи;

Н – природне охолодження негорючим діелектриком;

НД – природне охолодження негорючим діелектриком з примусовим повітряним охолодженням.

П’ята літера – кількість обмоток:

Т – триобмотковий трансформатор, відсутність літери – двообмотковий трансформатор.

Шоста літера – наявність пристрою регулювання напруги під навантаженням: літера Н (може не бути).

Сьома літера – галузь використання: П – для систем живлення; И (І) – для живлення електрифікованого інструменту; С – для власних потреб.

Через дефіс вказується номінальна потужність трансформатора, вимірювана в кВА, через дріб – номінальна напруга обмотки вищої напруги в кВ Наприклад: ТСЗИ-1,6 – трифазний трансформатор із природним повітряним охолодженням у захищеному виконанні для живлення електрифікованого інструменту, потужністю 1,6 кВА.

17.03.2026р.

Тема програми: 6. Трансформатори.

Тема уроку № 10. Принцип дії та будова трансформаторів.

Працюємо з підручником:

https://lib.imzo.gov.ua/wa-data/public/site/books2/pidrucnnyky-posibnyky-profosvita/Litera-Elektrotehnika.pdf

Опрацювати матеріал.

1. Призначення трансформаторів.

2. Будова трансформаторів.

3. Класифікація трансформаторів.

Д.З. Оформити конспект. Дати відповідь на питання:

1. Яке призначення трансформаторів?

2. Опишіть будову трансформаторів.

3. Замалюйте будову трансформатора.

4. Які трансформатори називають сухими?

5. Виконайте графічне зображення однофазного трансформатора.

6. Як поділяють трансформатори.

7. Чим відрізняються трансформатори стрижневого і броньового типів.

Пристрої, що здійснюють перетворення змінної напруги однієї величини на іншу за збереження її частоти, називають трансформаторами. В основі дії трансформатора лежить явище електромагнітної індукції, яке було відкрито в 1831 р. англійським фізиком Майклом Фарадеєм.

А в 1848 р. німецький механік Генріх Румкорф винайшов індукційну котушку особливої конструкції (рис. 1). Вона стала прообразом трансформатора.

Рис. 1. Загальний вигляд індукційної котушки

Датою створення першого трансформатора змінного струму вважається 30 листопада 1876 р., коли Павло Яблочков отримав патент на цей винахід.

У 1885 р. три угорські інженери Отто Блаті, Мікша Дері та Карой Зіперновскі створили трансформатор змінного струму промислової конструкції. Отто Блаті став співавтором винаходу регулятора напруги (стабілізатора напруги), лічильників змінного струму, електродвигуна, турбогенератора.

А в 1888 р. Нікола Тесла отримав патент на трифазний трансформатор, до складу якого входять три стержні магнітопроводу.

Трансформатори, призначені для перетворення однофазної напруги, називають однофазними. Трансформатори, як за призначенням, так і конструкцією, дуже різноманітні.

Найпростіший трансформатор складається зі сталевого осердя (магнітопроводу) і двох розташованих на ньому обмоток (рис. 2). Одна обмотка підключається до джерела змінного струму і називається первинною. Інша обмотка, яка називається вторинною, служить для підключення споживчих пристроїв.

Робота трансформатора заснована на явищі взаємної індукції, яке є наслідком закону електромагнітної індукції.

Відношення кількості витків первинної обмотки до кількості витків вторинної обмотки називають коефіцієнтом трансформації.

Рис. 2. Будова однофазного трансформатора

На підставі закону електромагнітної індукції можна записати:

Поділивши одну рівність на іншу, отримаємо:

e₂ / e₁ = ω₂ / ω₁ = k.

Отже, в будь-який момент часу відношення миттєвих значень ЕРС вторинної та первинної обмоток дорівнює коефіцієнту трансформації.

Це можливо тільки за повного збігу за фазою ЕРС e₁ і e₂.

Якщо коло вторинної обмотки трансформатора розімкнути (режим холостого ходу), то напруга на затискачах обмотки буде U₂ = E₂, а напруга джерела живлення майже повністю врівноважиться ЕРС первинної обмотки U ≈ E1.

Отже, можна стверджувати, що

k = E₂ / E₁ ≈ U₂ / U₁.

Таким чином, коефіцієнт трансформації можна визначити на підставі вимірювань напруги на вході і виході ненавантаженого трансформатора.

З огляду на високий ККД трансформатора, можна вважати, що S₁ ≈ S₂, де

S₁ = U₁I₁ – потужність, споживана з мережі, S₂ = U₂I₂ – потужність, що надається навантаженню.

Таким чином, U₁I₁ ≈ U₂I₂, звідки I₁ / I₂ ≈ U₂ / U₁ = k.

Відношення струмів первинної і вторинної обмоток приблизно дорівнює коефіцієнту трансформації, тому струм I₂ в стільки разів підвищується (зменшується), у скільки разів зменшується (підвищується) U₂.

Слід зазначити, що в деяких випадках виникнення взаємоіндукції є небажаним. Наприклад, ЕРС взаємоіндукції, що виникає в лініях зв’язку (телефонних проводах), прокладених уздовж високовольтних ліній електропередач або уздовж контактної мережі змінного струму електрифікованих залізниць, створює перешкоди при передачі телефонних сигналів. Тому лінії зв’язку намагаються розташовувати перпендикулярно проводам ліній електропередач або захищати їх металевими екранами.

Під час роботи трансформатора через струм в обмотках, а також внаслідок перемагнічування магнітопроводу й вихрових струмів виділяється тепло.

Трансформатори невеликої потужності (до 10 кВ · А), яким вистачає повітряного охолодження, називають сухими. У потужних трансформаторах застосовують охолодження оливою. Магнітопровід з обмотками розміщують у баку, заповненому мінеральною (трансформаторною) оливою. Олива не тільки відводить тепло завдяки конвекції або примусовій циркуляції, але також є хорошим діелектриком (ізолятором). Оливні трансформатори надійні в роботі і мають менші розміри і масу порівняно із сухими трансформаторами такої самої потужності.

Сучасні трансформатори мають складну конструкцію, але принцип їхньої дії є однаковим.

Умовні позначення однофазних трансформаторів зображено на рис. 3.

Рис. 3. Графічне зображення однофазного трансформатора

Класифікація трансформаторів. За кількістю фаз трансформатори поділяють на однофазні та трифазні.

За кількістю обмоток трансформатори поділяють на двообмоткові, триобмоткові та багатообмоткові.

За призначенням трансформатори поділяють на силові та спеціальні.

Силовий трансформатор – прилад, який за допомогою електромагнітної індукції перетворює одну величину змінної напруги та струму в іншу величину змінної напруги та струму без зміни частоти.

Спеціальні трансформатори – трансформатори спеціального призначення:

- вимірювальні,

- зварювальні,

- інструментальні,

- автотрансформатори тощо.

Вимірювальний трансформатор – трансформатор, який застосовують у ланцюгах змінного струму для розширення меж вимірювальних приладів.

Зварювальний трансформатор – трансформатор, який застосовують для електричного зварювання.

Інструментальний трансформатор – трансформатор, який застосовують для живлення електроінструменту.

Автотрансформатор – трансформатор, дві або більше обмоток якого мають спільну частину. Обмотки автотрансформатора сполучені безпосередньо, і передача енергії з первинного кола у вторинне відбувається як за допомогою магнітного поля, так і електричним шляхом.

Трансформатор, до складу якого входить одна первинна і одна вторинна обмотки, називають двообмотковим, а трансформатор, що має дві і більше вторинних обмоток, – багатообмотковим.

Розрізняють трансформатори стрижневого (рис. 4, а) і броньового (рис. 4, б) типів. Останній добре захищає обмотки котушок від механічних пошкоджень. Верхню частину трансформатора, що має назву ярмо, закріплюють після насадки на стрижень котушок (обмоток).

Рис. 4. Конструкція однофазного малопотужного трансформатора

стрижневого (а) та броньового (б) типів

Обмотки трансформаторів виготовляють із мідного дроту і розміщують на одному або на різних стрижнях поруч або одна під одною. В останньому випадку безпосередньо до стрижня примикає обмотка нижчої напруги, а над нею розміщують обмотку вищої напруги.

На осерді може бути розміщено декілька вторинних обмоток з різною кількістю витків, що дає змогу отримати різні за значенням вторинні напруги.

13.03.2026р.

Тема програми №5. Електричні та радіотехнічні вимірювання. Електровимірювальні прилади

Тема уроку № 9. Будова та принцип дії електровимірювальних приладів.

Працюємо з підручником:

Гуржій А. М. Електротехніка та основи електроніки : підручник для здобувачів професійної (професійно-технічної) освіти / А. М. Гуржій,

С. К. Мещанінов, А. Т. Нельга, В. М. Співак. – Київ : Літера ЛТД, 2020. – 288 с. Стор. 162-170.

https://lib.imzo.gov.ua/wa-data/public/site/books2/pidrucnnyky-posibnyky-profosvita/Litera-Elektrotehnika.pdf

https://studfile.net/preview/5674232/page:4/

Опрацювати матеріал.

1. Електричні вимірювання.

2. Класифікація електровимірювальних приладів.

3. Основні умовні позначення електровимірювальних приладів.

Д.З. Оформити конспект. Дати відповідь на питання:

1. Як поділяються електровимірювальні прилади?

2. Опишіть діапазони вимірюваних струмів.

3. За яким принципом поділятись електромеханічні вимірювальні прилади?

4. Замалюйте вигляд приладу електромагнітної системи та опишіть його будову?

5. Як класифікують цифрові вимірювальні прилади (ЦВП).

6. замалюйте структурну схему цифрового вольтметра.

7. Чим відрізняються аналогові від цифрових мультиметрів.

Струми і напруги є найпоширенішими електричними величинами, які необхідно вимірювати в дуже широкому діапазоні значень.

Весь діапазон вимірюваних струмів та напруг можна умовно поділити на три під діапазони:

малих струмів (до одиниць міліампер) і напруг (до одиниць мілівольт);

середніх струмів (від одиниць міліампер до десятків ампер) і напруг (від одиниць мілівольт до сотень вольт);

великих струмів (понад десятки ампер) і напруг (понад сотні вольт).

Вимірювальні перетворювачі струму і напруг В електромеханічних вимірювальних перетворювачах і побудованих на їх основі приладах вимірювана величина (найчастіше напруга чи струм) перетворюється в кутове переміщення рухомої частини приладу.

Електромеханічні прилади поділяються за принципом дії на такі групи:

• магнітоелектричні;

• електромагнітні;

• електродинамічні та феродинамічні;

• електростатичні.

Магнітоелектричні прилади. Прилади магнітоелектричної системи застосовують для вимірювання постійних струмів і напруг (амперметри та вольтметри).

Принцип дії приладів магнітоелектричної системи ґрунтується на взаємодії магнітного поля постійного магніту з провідниками обмотки рухомої котушки. Вимірювальні прилади магнітоелектричної системи мають лінійну шкалу, високу чутливість, вплив зовнішніх магнітних полів на них незначний, мало споживають енергії.

До недоліків цих приладів, слід віднести малу здатність до перевантажень, а також те, що приладами цієї системи можна виконувати вимірювання тільки в електричних колах постійного струму.

Рис. 1. Вигляд приладу магнітоелектричної системи:

1 – рамка; 2 – циліндричне осердя; 3 – полюсні наконечники; N – S постійний магніт

Між полюсами постійного магніту N – S за допомогою полюсних наконечників 3 та циліндричного осердя 2 створюється повітряний проміжок такої форми, що силові лінії магнітного поля при будь-якому положенні рамки 1 перпендикулярні її провідникам. ном Ампера: F = IlBω, де I – струм у провідниках рамки; l – довжина тієї частини рамки, яка знаходиться в магнітному полі (активна довжина); B – магнітна індукція в повітряному проміжку; ω – число витків рамки.

На іншу сторону рамки діє така сама сила, але протилежно направлена.

Момент сил визначається як добуток сили на плече. Отже, M_об = IlBpω = BSωI, де p – ширина рамки, S = lp – площа рамки.

Значення B, S, ω для кожного приладу постійні, тому останню формулу можна записати у вигляді M_об = k₁I, де k₁ – постійний коефіцієнт.

Струм до рамки підводиться через дві спіральні пружини, які одночасно служать для створення протидіючого моменту. Момент, що створюється пружиною, пропорційний куту закручування, тому M_пр = k₂α, де k₂ – постійний коефіцієнт; α – кут повороту рамки (дорівнює куту закручування пружини).

Враховуючи, що в момент відліку, коли стрілка нерухома, M_об = M_пр, отримуємо k₁I = k₂α. З цієї рівності знаходимо:

Таким чином, кут повороту рамки та стрілки вказівника пропорційний струму, тобто прилад може бути градуйований як амперметр.

На основі закону Ома маємо I = U/R_п, де U – напруга на затискачах приладу; R_п – електричний опір рамки приладу. Після підстановки отримуємо:

Оскільки відношення k/R_п для одного приладу – величина стала, то останній вираз показує, що прилад може бути градуйований як вольтметр. Демпферний момент у магнітоелектричних приладах створюється за рахунок

вихрових струмів, що виникають в алюмінієвому каркасі рами при переміщеннях рухомої рамки.

Магнітоелектричні амперметри та вольтметри є основними вимірювальними приладами в колах постійного струму.

Електромагнітні прилади. Прилади електромагнітної системи застосовуються для вимірювання постійних і змінних струмів і напруг. Дія електромагнітного приладу ґрунтується на взаємодії магнітного поля котушки з рухомим феромагнітним осердям," в результаті чого осердя втягується в котушку і рухома вісь повертається на деякий кут під дією обертального моменту, який пропорційний квадрату струму.

До переваг електромагнітних приладів слід віднести їхню простоту, дешевизну, надійність, здатність витримувати короткочасні навантаження, а також придатність для вимірювання в колах змінного й постійного струмів.

Недоліками приладів електромагнітної системи є порівняно низька точність, нерівномірність шкали, досить велика споживана потужність, залежність показів від частоти та впливу зовнішніх магнітних полів.

Рис. 2. Вигляд приладу електромагнітної системи:

1 – котушка; 2 – пружина; 3 – осердя; 4 – повітряний демпфер.

Осердя 3 з м’якого (для зменшення втрат на гістерезис) матеріалу магнітом втягується у котушку 1 при проходженні струму по її обмотці. Протидіючий момент створюється пружиною 2. Згладжування здійснюється повітряним демпфером 4, що являє собою гільзу, у якій може переміщуватись легкий поршень, пов’язаний зі стрілкою.

Обертальний момент пропорційний квадрату струму, оскільки магнітні поля котушки та осердя створюються одним і тим самим вимірювальним струмом, що проходить по котушці:

Останній вираз показує, що кут відхилення стрілки пропорційний квадрату струму або напруги. Шкала приладу квадратична, що стиснута на її початку.

Прилади електромагнітної системи широко застосовують для вимірювань у колах постійного та змінного струмів. Вони прості та надійні, мають високу перевантажувальну здатність та механічну міцність. Однак цим приладам притаманний ряд недоліків, основними з яких є: низька чутливість, невисока точність, значне особисте споживання енергії, нерівномірність шкали, вплив зовнішніх магнітних полів на покази приладів.

Електродинамічні та феродинамічні прилади. Прилади електродинамічної системи застосовують для вимірювання потужності, струму, напруги в електричних колах постійного та змінного струмів.

Принцип дії приладів електродинамічної системи ґрунтується на взаємодії провідників зі струмом у рухомій котушці з магнітним полем, створеним струмом у нерухомій котушці.

Феродинамічний прилад відрізняється від електродинамічного лише тим, що його нерухомі котушки мають магнітопровід з магнітном’якого матеріалу.

Електродинамічні прилади застосовують найчастіше як ватметри для вимірювання потужності у колах як постійного, так і змінного струмів. В електродинамічних та феродинамічних амперметрах нерухома і рухома котушки з’єднуються послідовно.

Електродинамічні прилади придатні для роботи як в електричних колах постійного, так і змінного струмів. У колах змінного струму електродинамічні прилади мають найвищу точність порівняно з іншими електромеханічними приладами. Але на покази електродинамічних приладів значно впливають зовнішні магнітні поля.

Рис. 3. Будова приладу електродинамічної системи:

1 – нерухома котушка; 2 – рухома котушка; 3 – вісь; 4 – спіральні пружини; 5 – стрілка з демпферним пристроєм.

Основними частинами вимірювального механізму приладу є: нерухома котушка 1, що складається із двох половин, рухома котушка 2, вісь 3 зі спіральними пружинами 4, стрілка і демпферний пристрій 5, завдяки якому здійснюється заспокоєння рухомої системи. Струм до рухомої котушки підводиться за допомогою пружин 4, які одночасно служать для створення протидіючого моменту.

Широкого застосування в техніці знайшли електродинамічні ватметри – прилади для вимірювання електричної потужності в колах постійного та змінного струмів.

Основна перевага приладів електродинамічної системи – велика точність вимірювань.

До недоліків цих приладів слід віднести значне власне споживання електричної енергії та реагування на вплив зовнішніх магнітних полів.

Електростатичні прилади. Прилади електростатичної системи застосовуються головним чином як вольтметри для вимірювання напруг у колах постійного та змінного струму.

Прилади електростатичної системи мають такі позитивні» якості:

• здатність вимірювати великі напруги безпосередньо без додаткових пристроїв;

• придатність для вимірювання як постійних, так і змінних напруг;

• незначна потужність, яку споживають прилади;

• широкий частотний діапазон вимірювання.

До недоліків цих приладів слід віднести низьку точність та чутливість, а також значну залежність від впливів зовнішніх чинників (вологості, електричних полів).

Цифрові вимірювальні прилади. В останні роки все більше застосовують цифрові електровимірювальні прилади. Ці прилади вимірюють значення величини, що безперервно змінюється, в окремі (дискретні) моменти часу та представляють отриманий результат у цифровій формі.

Класифікація ЦВП

ЦВП класифікують

а) за видом вимірюваних величин:

– вольтметри й амперметри постійного і змінного струму (напруги);

– омметри і мости постійного і змінного струму;

– комбіновані прилади;

– вимірювачі частоти, інтервалів часу і фазового зсуву;

– спеціалізовані ЦВП;

б) за видом вхідних фізичних величин:

– постійного і змінного струму (напруги);

– параметрів електричних ланцюгів (L, R, С);

– часових параметрів;

в) за способом перетворення вхідного сигналу:

– прямого перетворення (відсутній зв’язок виходу з входом);

– урівноважує перетворення (охоплено ланцюгом зворотного зв’язку);

г) за видом вихідного дискретного сигналу:

– прилади з формою подання двійкової інформації;

– прилади з десятковою формою подання інформації;

– прилади з двійково-десятковою формою подання інформації.

ЦВП містять вбудовані електронні схеми (зазвичай мікропроцесори), що дозволяють підключати додаткові пристрої.

Деякі прилади містять різні діагностичні пристрої, що зменшує час усунення відмов.

Більшість сучасних стендових приладів мають внутрішні пристосування для калібрування.

Калібрування здійснюється з пульта приладу, а значення параметрів зберігаються в довготривалій пам’яті. У наступні відліки вносяться поправки з урахуванням цих параметрів.

Багато ЦВП забезпечені шиною інтерфейсу і завдяки цьому можуть працювати як частини великих вимірювальних систем.

У цифровому приладі вимірювана величина X подається на вхідний пристрій, що призначений для виділення перешкод і масштабного перетворення.

Аналого-цифровий перетворювач перетворює величину X в код N, який подається на цифровий відліковий пристрій, де відображається у вигляді ряду цифр.

Цифрові коди можуть переправлятися і на зовнішній пристрій, наприклад комп’ютер, для подальшої обробки або зберігання. Керує роботою ЦВП пристрій управління шляхом створення і подання певної послідовності командних сигналів у всі функціональні вузли приладу.

Технічні характеристики ЦВП:

а) межі вимірювання;

б) ціна поділки;

в) вхідний опір;

г) швидкодія;

д) точність;

е) завадостійкість;

ж) надійність.

Структурна схема цифрового вольтметра з проміжним перетворенням у часовий інтервал подана на рис. 4.

Рис. 4. Структурна схема цифрового вольтметра

Універсальні електронні мультиметри.

Аналогові мультиметри. В аналоговому мультиметрі застосовується стандартна вимірювальна шкала з покажчиком.

Значення напруги, струму або опору відлічуються від позиції вказівника на вимірювальній шкалі.

Визначення показів аналогового мультиметра проводиться за шкалою зі стрілочним покажчиком.

Аналогові мультиметри все ще широко використовуються, оскільки вони недорогі і надійні в роботі. Їхнім основним недоліком є те, що вони мають меншу точність і більший розкид при вимірах.

У більшості випадків похибка аналогового мультиметра становить менше 2 % від меж вимірювання за шкалою приладу, що цілком прийнятно в більшості практичних застосувань. Однак у багатьох випадках бажані більш точні вимірювання.

Цифрові мультиметри. Цифровий мультиметр подібний до аналогового тим, що він також є універсальним вимірювальним приладом, здатним вимірювати напругу, струм і опір.

Основною відмінністю є те, що результати вимірювань виводяться на пристрій десяткової цифрової індикації.

У більшості цифрових мультиметрів є рідкокристалічний індикатор (дисплей). Індикація в більш старих цифрових мультиметрах здійснюється з використанням індикаторів на світловипромінювальних діодах. У деяких стендових великих мультиметрах все ще використовуються світлодіодні індикатори.

На додаток до переваг, пов’язаних із використанням десяткових дисплеїв, цифрові мультиметри забезпечують більшу точність вимірювань. Хороший цифровий мультиметр забезпечує точність вимірювань від 0,5 % до 1 % від фактичного значення.

Такі точні вимірювання переважають при тестуванні електронних схем, оскільки вони дають найкращу інформацію про їхній стан.

Цифрові мультиметри мають також більш високу роздільну здатність вимірювальної системи, що забезпечує високоточні вимірювання з великим числом десяткових розрядів.

На цифрових мультиметрах меж вимірювань зазвичай більше, до того ж часто додані додаткові функції, такі як звукове «продзвонювання» діодів, перевірка переходів транзисторів, частотомір, вимірювання ємності конденсаторів. Для того, щоб мультиметр не вийшов із ладу при вимірюванні напруги або струму, особливо якщо їхнє значення невідоме, перемикач бажано встановити на максимально можливу межу вимірювань, і тільки якщо покази при цьому будуть занадто малі, для одержання більш точного результату, можна перемикати мультиметр на межу нижче поточного.

06.03.2026р.

Тема: 5 Електричні та радіотехнічні вимірювання. Електровимірювальні прилади

Урок № 8. Класифікація електровимірювальних приладів та їх маркування

Працюємо з підручником:

https://lib.imzo.gov.ua/wa-data/public/site/books2/pidrucnnyky-posibnyky-profosvita/Litera-Elektrotehnika.pdf

https://studfile.net/preview/5674232/page:4/

Опрацювати матеріал.

1. Електричні вимірювання.

2. Класифікація електровимірювальних приладів.

3. Основні умовні позначення електровимірювальних приладів.

Д.З. Оформити конспект. Дати відповідь на питання:

1. Як поділяються електровимірювальні прилади?

2. Опишіть способи подання показань на електровимірювальних приладах?

3. За яким принципом дії можуть поділятись електровимірювальні прилади?

4. На який вид електричного струму розраховані електровимірювальні прилади?

5. В зошит перенести таблицю умовних позначень на шкалах електровимірювальних приладів.

Електричні вимірювання. Сутність електричних вимірювань. Для вимірювання електричних та магнітних величин використовують електровимірювальні прилади: амперметри, вольтметри, гальванометри та ін., а також їх комбінації. Процес вимірювання зводиться до порівняння вимірювальної фізичної величини з її значенням, прийнятим за одиницю. Вимірювання однієї величини можна замінити вимірюванням іншої, з нею по в’язаної.

Вимірювальну апаратуру поділяють на вимірювальні прилади та еталони. Вимірювальні прилади відзначаються високою точністю та надійністю роботи, можливістю автоматизації процесу вимірювань та передачі показників на далекі відстані, простотою вводу результатів вимірювань у електричні обчислювальні пристрої тощо. Тому вони широко використовуються у системах ручного або автоматичного контролю та підтримання на заданому рівні параметрів промислових установок та технологічних процесів.

Основні методи електричних вимірювань. Похибки вимірювальних приладів

Існує два основних методи електричних вимірювань: метод безпосередньої оцінки та метод порівняння.

При використані методу безпосередньої оцінки вимірювана величина відраховується безпосередньо за шкалою приладу. Шкала вимірювального приладу попередньо градуюється за еталонним приладом в одиницях вимірювальної величини. Як правило, таке градуювання здійснюється на заводі під час виготовлення приладу. Переваги цього методу – зручність підрахунку показань приладу та мала затрата часу на операцію вимірювання. Метод безпосередньої оцінки широко застосовується в різних галузях техніки для контролю та регулювання технологічних процесів, у польових умовах, на рухомих об’єктах тощо. Недолік методу – порівняно невисока точність вимірювань.

У разі використання методу порівняння вимірювана величина порівнюється безпосередньо з еталоном, зразковою та робочою мірою. У цьому випадку точність вимірювань може бути значно підвищена. Метод порівняння використовується головним чином у лабораторних умовах, він потребує досить складної апаратури, високої кваліфікації операторів та значних затрат часу. Останнім часом в апаратурі порівняння все ширше впроваджується автоматизація.

Електровимірювальні прилади. Класифікація. Умовні позначення на шкалі

Електровимірювальні прилади класифікують за різними ознаками. Залежно від основної приведеної похибки електровимірювальні прилади розбиті на класи точності. Клас точності вказується на шкалі приладу. Він означає найбільшу приведену похибку у відсотках, що є допустимою для приладу.

На шкалу електровимірювального приладу наносяться умовні позначення, основні з яких наведено в табл. 1.1.

За типом вимірюваної величини електровимірювальні прилади поділяються на: вольтметри (для вимірювання напруги та ЕРС); амперметри (для вимірювання сили струму); ватметри (для вимірювання електричної потужності); лічильники (для вимірювання електричної енергії); омметри, мегомметри (для вимірювання електричного опору); частотоміри (для вимірювання частоти змінного струму); фазометри (для вимірювання кута зсуву фаз).

За типом струму розрізняють електровимірювальні прилади постійного струму, змінного струму та комбіновані.

За способом установки розрізняють щитові прилади, що призначені для монтажу на приладових щитах та пультах керування, та переносні прилади.

Таблиця 1.1. Основні умовні позначення

27.02.2026р.

Тема програми № 4. Електромагнетизм.

Тема уроку № 7. Електромагнетизм.

Працюємо з підручником:

https://lib.imzo.gov.ua/wa-data/public/site/books2/pidrucnnyky-posibnyky-profosvita/Litera-Elektrotehnika.pdf

Опрацювати матеріал.

1. Електромагнетизм.

2. Електромагнітні явища

3. Електромагнітна сила.

Д.З. Оформити конспект. Дати відповіді на питання.

1. Що називають електромагнетизмом.

2. Чим характеризується абсолютна магнітна проникність.

3. Що називають електромагнітною силою.

4. Навіщо в електриці посилаються на правило свердлика.

5. Від чого залежить опір магнітопроводу (осердя).

6. Чим відрізняються діамагнітні від парамагнітних матеріалів.

7. Опишіть різницю та застосування магнітом’яких та магнітотвердих матеріалів.

8. Де використовуються вихрові струми.

Електромагнетизм —фізична теорія взаємозв'язку між більшістю електричних та магнітних явищ, що склалася в першій половині XIX століття завдяки проведенню низки фізичних експериментів і знайшла своє завершення в розвитку класичної електродинаміки.

Електромагнітні явища визначаються в вираженні електромагнітної сили, яку іноді називають силою Лоренца, котра охоплює як електрику, так і магнетизм як різні прояви одного і того ж явища.

Електромагнітна сила відіграє важливу роль у визначенні внутрішніх властивостей більшості об'єктів, що зустрічаються в повсякденному житті.

Електромагнітна сила – фізична величина, що є силою, яка діє на провідник, що знаходиться у зовнішньому магнітному полі (виникає в результаті взаємодії магнітного поля провідника зі струмом із зовнішнім магнітним полем). Електромагнітне тяжіння між атомними ядрами та їх орбітальними електронами, утримує атоми разом. Електромагнітні сили відповідають за хімічні зв'язки між атомами, які створюють молекули, і міжмолекулярні сили. Електромагнітна сила регулює всі хімічні процеси, які виникають внаслідок взаємодій між електронами сусідніх атомів.

У класичній електродинаміці, електричні поля виражаються як електричний потенціал і електричний струм. За законом Фарадея, магнітні поля пов'язано з електромагнітною індукцією і магнетизмом, а рівняння Максвелла показують, як електричні і магнітні поля виробляються і змінюються одне з одним, а також зарядами і струмами.

Теоретичні наслідки електромагнетизму, зокрема встановлення швидкості світла на основі властивостей «середовища» поширення (проникності і діелектричної проникності), привели до створення спеціальної теорії відносності Альбертом Ейнштейном 1905 року.

Рис. 1. Магнітний полюс і його силові лінії.

Рис. 2. До визначення напряму силових ліній

I — напрям струму крізь провідник, В — напрям магнітного поля, що виробляється цим струмом.

Абсолютна магнітна проникність характеризує здатність речовини намагнічуватися. Позначається літерою µ0 , вимірюється в Омс/м.

Відносна магнітна проникність µ показує, у скільки разів абсолютна магнітна проникність речовини більша за сталу магнітну проникність вакууму

µ0=4π/10

Залежно від значення відносної магнітної проникності всі речовини поділяються на діамагнітні µ < 1 (мідь), які не намагнічуються, парамагнітні µ > 1 (алюміній), які трохи намагнічуються, і феромагнітні (сталь), які добре намагнічуються.

Магнітний опір позначається літерою µ, вимірюється в 1 /Омc і визначається за формулою

Rµ=1/µа*S

де L — довжина, м; S —площа, м². Тобто, опір магнітопроводу (осердя) залежить від речовини і тим більший, чим більша його довжина, і тим менший, чим менша його площа.

Намагнічування сталевого осердя.

Щоб збільшити намагнічувальну силу, провід намотують на котушку.

Чим більше витків, тим більша намагнічувальна сила.

Щоб збільшити щільність магнітних силових ліній (індукцію), у котушку зі струмом вставляють сталеве осердя з малим магнітним опором, яке накопичує магнітну енергію і називається дроселем.

Рис. 3. Намагнічування осердя:

а — схема намагнічування; б — крива намагнічування.

«Сталеве осереддя – це посуд», який накопичує магнітну енергію. Чим більша сила струму в котушці, тим більше намагнічується осердя (рис. 3). Коли осердя («посуд») намагнічене до краю, настає магнітне насичення. Насичене осердя («посуд» наповнений) має великий магнітний опір, навіть більший, ніж опір повітря. Магнітні силові лінії, які не вміщаються в осерді, замикаються через повітря, внаслідок чого виникають великі втрати магнітної енергії. Це має місце у перевантажених і ви гунах і трансформаторах, що зменшує їхній коефіцієнт корисної дії.

Магнітне поле котушки зі струмом втягує сталеві осердя у котушку, оскільки силові лінії котушки спрямовані всередину. І (є використовується в електромагнітних реле. Напрям силових піній котушки зі струмом визначають за правилом правої руки. Якщо на котушку покласти праву руку так, щоб чотири витягнуті пальці показували напрям струму, тоді відігнутий великий палець покаже напрям силових ліній всередині котушки, тобто північний полюс.

Розмагнічування та перемагнічування сталевого осердя. Розмагнітити осердя можна, вставляючи його у котушку, через яку протікає постійний струм у зворотному напрямі, або вставляючи його у котушку із змінним струмом, а також за допомогою дроселів, які живляться змінним струмом.

Перемагнічування сталевого осердя відбувається у трансформаторах, машинах і апаратах змінного струму.

Якщо осердя намагнітити постійним струмом до насичення (рис. 4), а потім зменшити силу струму до нуля, то побачимо, що крива розмагнічування буде зверху кривої намагнічування. Коли сила струму дорівнюватиме нулю, то в осерді буде ще залишкова магнітна індукція. При певному мінусовому значенні напруженості Н (коерцетивна сила) магнітна індукція дорівнюватиме нулю. Доведено, що процес розмагнічування повільніший, ніж процес намагнічування, тобто тут має місце явище магнітного гістерезису (відставання) — розмагнічування від намагнічування. Внаслідок цього за допомогою постійного струму створюються постійні магніти.

Якщо мінусове значення напруженості збільшувати, то настане мінусове насичення В. тобто полюси перемагнітяться.

Рис. 4. Циклічне перемагнічування матеріалів.

Якщо осердя розмагнітити, а потім знову намагнітити у полюсовому значенні В, то одержимо петлю гістерезису. Площа петлі гістерезису пропорційна енергії, витраченій на один цикл перемагнічування. Ця енергія витрачається на нагрівання осердя. Залежно від площі петлі гістерезису всі магнітні матеріали поділяються на магнітом’які та магнітотверді. Магнітом’які матеріали мають вузьку петлю гістерезису і використовуються у трансформаторах, дроселях, електричних машинах та електричних апаратах. Магнітотверді матеріали мають широку’ петлю гістерезису і використовуються для постійних магнітів.

Перетворення електричної енергії у механічну. Магнітна індукція.

Якщо провід зі струмом внести у магнітне поле постійного магніту, то в результаті взаємодії силових ліній магнітних полів навколо проводу створиться результуюче магнітне поле, яке з одного боку проводу матиме більшу густину силових ліній, а з другого — меншу. Внаслідок цього створюється механічна сила

F = ВIL sina,

де В — індукція; L — довжина проводу; a — кут між силовими лініями магнітного поля постійного магніту та проводом. Ця механічна сила буде виштовхувати провід у бік меншої густини силових ліній (рис. 5).

Рис. 5. Пояснення перетворення електричної енергії в механічну.

Напрям виштовхування проводу зі струмом з постійного магнітного поля визначають за правилом лівої руки. Якщо долоню лівої руки покласти так, щоб чотири витягнуті пальці показували напрям струму, то відігнутий великий палець покаже напрям виштовхування проводу, тобто північний полюс. Це явище називається магнітною індукцією. Воно використовується в електродвигунах, де проводи зі струмом рухомого якоря виштовхуються магнітним полем нерухомого статора, внаслідок чого якір обертається.

Завдяки силам магнітної індукції два паралельні проводи зі струмом притягуються, якщо струми у проводах мають однаковий напрям, і відштовхуються, якщо струми у проводах мають протилежний напрям.

Перетворення механічної енергії в електричну. Електромагнітна індукція.

Якщо обертати постійний магніт, нейтраль якого закріплена на осі так, щоб його магнітне поле перетинало нерухому обмотку, закріплену на осерді, шо має вигляд кола, то механічна енергія обертання буде перетворюватися в електричну енергію обмотки, а цей пристрій стане електричним генератором змінного струму.

У такому генераторі має місце явище електромагнітної індукції.

Рис. 6. До пояснення перетворення механічної енергії в електричну.

Під час обертання постійного магніту (ротора) механічною силою його магнітне поле буде перетинати нерухому обмотку статора. Обертаючись, північний полюс ротора пожене з обмотки статора вільні електрони в одному напрямі, а південний полюс — у протилежному. Отже, на виводах обмотки статора створюється змінна за напрямом е.р.с. електромагнітної індукції (рис. 6). Магнітне поле ротора жене через обмотку статора вільні електрони внаслідок взаємодії силових ліній магнітного поля статора з силовими лініями мікро магнітних полів вільних електронів.

Електрорушійна сила електромагнітної індукції в обмотці синусоїдально змінюється за величиною тому, що при обертанні ротора перед обмоткою змінюється магнітна індукція (щільність силових ліній). Якщо перед обмоткою обертається центр полюса ротора, то щільність силових ліній та е.р.с. досягають максимального значення. Якщо перед обмоткою обертається нейтраль ротора, то ці величини мають нульове значення. Електрорушійна сила електромагнітної індукції визначається за формулою

Е = ВLv sina,

де В — індукція; L — довжина проводу; a — кут між магнітними пініями та ротором; v — швидкість обертання.

Отже, обертаючи ротор у середині статора, одержують на виводах статора змінну за напрямом та величиною е.р.с. Якщо до обмотки генератора ввімкнути споживачі, то вони одержать змінний струм, сила якого залежатиме від опору споживачів.

Магнітне поле, утворене струмом в обмотках генератора індукованою е.р.с., буде мати напрям, протилежний обертанню основного магнітного поля, і спричинятиме гальмування ротора.

Отже, чим більшу силу струму виробляє генератор, тим більше гальмується його ротор. Щоб запобігти гальмуванню, витрачається механічна енергія турбіни, яка обертає ротор генератора.

Самоіндукція, індуктивність. Взаємоіндукція. Вихрові струми

Якщо коло котушки вмикати чи вимикати або пропускати через котушку змінний струм, то змінюватиметься магнітне поле котушки, воно буде перетинати витки котушки, женучи при цьому її вільні електрони. Внаслідок цього на виводах з’явиться е.р.с. самоіндукції.

Індуктивність котушки вимірюється у генрі - Ом с. Індуктивність котушки (обмотки) показує, як змінюється її опір при зміні в ній сили струму.

Електрорушійна сила самоіндукції діє таким чином. При вимиканні обмоток і дроселів створюється явище самоіндукції. Накопичена магнітна енергія перетворюється в елек-тричну, її е.р.с. додається до напруги, і між контактами вимикачів збільшується різниця потенціалів, тому виникає іскра. Це явище використовується у системах запалювання двигунів автомобілів і в схемах люмінесцентних ламп.

Коли по обмотці тече змінний струм, то внаслідок зміни магнітного поля обмотки виникає е.р.с. самоіндукції, яка протидіє напрузі і створює реактивний опір. Він збільшує спільний опір електричного пристрою.

Реактивний опір буде тим більший, чим більше ненасиченого осердя в обмотці.

У деяких зварювальних трансформаторах за допомогою рухливого осердя регулюють силу зварювального струму.

Явище взаємоіндукції полягає в тому, що якщо в одній з близько розташованих котушок змінюється сила струму, то на виводах іншої виникає е.р.с. взаємоіндукції внаслідок того, що магнітне поле однієї котушки, рухаючись, перетинає витки іншої котушки. Явище взаємоіндукції використовується у трансформаторах.

Вихрові струми (струми Фуко) виникають у суцільних металевих осердях, вміщених у котушки зі змінним струмом від дії індукованих е.р.с. Вихрові струми нагрівають осердя. Щоб зменшити нагрівання осердя трансформаторів, електричних машин і апаратів, їх складають з окремих листів сталі, ізольованих один від одного.

Вихрові струми використовують в електролічильниках, в електроплавильних печах. Магнітне коло. Магнітопровід. У трансформаторах, електричних машинах та електричних апаратах магнітні силові лінії вміщуються у магнітному колі — магнітопроводі, якщо він ненасичений, що відповідає номінальному режиму. Але якщо сила струму може зрости і перевищити номінальну, тоді магнітне поле може зрости настільки, що не буде вміщуватися у магнітопроводі, бо магнітопровід стане насиченим. Такий режим називають перевантаженням.

Перевантаження характеризується тим, що частина магнітного поля, яка не вмістилася у магнітопроводі, потрапляє у повітря з дуже великим магнітним опором. Внаслідок цього значно збільшуються неефективні витрати магнітної енергії і зменшується коефіцієнт корисної дії електричного пристрою. Це має місце при пуску асинхронних двигунів, коли великий пусковий струм супроводжується малою силою тяги, тому що магнітопровід перенасичений. Якщо пристрій працює на змінному струмі, то при насиченні осердя зменшується реактивний опір обмотки пристрою, що призводить до збільшення значення сили струму, а це шкідливо для пристрою. Так, побутові трансформатори, які перетворюють подану на них напругу на нижчу, не можна використовувати для підвищення напруги, оскільки вони мають малий магнітопровід, який навіть у режимі холостого ходу перенасичується. Тому обмотка низької напруги споживає у режимі холостого ходу надмірну силу струму, а напруга на вторинній обмотці має значення нижче за номінальне.

20.02.2026р.

Тема програми № 3. Напівпровідникові прилади.

Тема уроку № 6. Лабораторна робота №1 «Зняття вольт-амперної характеристики напівпровідникового діоду».

Мета роботи: вивчення принципу дії напівпровідникового діода й одержання його вольт-амперної характеристики.

Прилади та матеріали: германієвий діод, міліамперметр, мікроамперметр, два вольтметри, джерело ЕРС, перемикач, з'єднувальні провідники.

Працюємо з підручником:

https://lib.imzo.gov.ua/wa-data/public/site/books2/pidrucnnyky-posibnyky-profosvita/Litera-Elektrotehnika.pdf

https://studfile.net/preview/9188315/

Опрацювати матеріал.

1. Види провідності в напівпровідниках (електронна та діркова, власна і домішкова).

2. Напівпровідники n- та p-типу

3. Контактні явища в напівпровідниках.

Д.З. Оформити конспект. Дати відповіді на питання.

1. Поясніть фізичні процеси, які відбуваються в р-n-переході за відсутності зовнішнього електричного поля.

2. Перерахуйте способи увімкнення діода в електричне коло. Намалюйте схеми.

3. Які фізичні процеси лежать в основі роботи діода як випрямляча?

4. За якими характеристиками і параметрами оцінюється діод?

5. Які характеристики діода є нелінійними і чому?

6. Як впливає підвищення температури на концентрацію вільних носіїв?

7. Замалювати та скласти схему (рис. 5). За знятими показниками вольтметра і міліамперметра побудувати вольт-амперну характеристику.

Лабораторна робота №1 «Напівпровідниковий діод»

Мета роботи: вивчення принципу дії напівпровідникового діода й одержання його вольт-амперної характеристики.

Прилади та матеріали: германієвий діод, міліамперметр, мікроамперметр, два вольтметри, джерело ЕРС, перемикач, з'єднувальні провідники.

Контрольні питання для підготовки до лабораторної роботи

1. Види провідності в напівпровідниках (електронна та діркова, власна і домішкова).

2. Напівпровідники

3. Контактні явища в напівпровідниках.

Короткі теоретичні відомості

Тонкий шар напівпровідника, в якому має місце просторова зміна типу провідності від електронної до діркової, називається електронно-дірковим або р-п-переходом. Електропровідність p-n-переходу залежить від напрямку струму: в одному напрямку (прямому) вона велика, в іншому (зворотному) - мала.

Розглянемо р-n-перехід за відсутності зовнішнього поля. Вільні електрони дифундують із n-області в р-область, де їх концентрація набагато менша і там рекомбінують з дірками. В результаті цього в р-області залишаються негативно заряджені акцепторні атоми, в n-області - позитивно заряджені донорні атоми. Оскільки акцепторні та донорні атоми нерухомі, на межі p-n-переходу виникає подвійний шар просторового електричного заряду (рис. 1), який називають запираючим шаром. Він створює контактне електричне полеяке протидіє подальшій дифузії основних носіїв.

Рис. 1.

Різниця потенціалів, якою характеризується контактне поле, має величину кілька десятків мілівольт, її називають контактною різницею потенціалів або висотою потенціального бар'єра. В умовах теплової рівноваги і при відсутності зовнішнього електричного поля струм через р-n-перехід дорівнює нулю: існує динамічна рівновага між струмом неосновних і основних носіїв. Зовнішнє електричне поле змінює висоту бар'єра і порушує рівновагу потоків основних та неосновних носіїв. Якщо зовнішнє електричне поле має напрямок, протилежний до контактного то висота потенціального бар'єра зменшується (рис. 2).

Рис. 2.

Через контакт йтиме струм, величина якого залежить від величини зовнішнього поля Цей напрям називається прямим або пропускним.

Якщо напрямок зовнішнього електричного полязбігається з напрямком то модулі їхніх напруженостей додаються, що й приводить до збільшення контактної різниці потенціалів. За цієї умови струм основних носіїв через контакт буде дорівнюватиме нулю. Такий напрямок поля і відповідний спосіб підключення називають зворотним.

На рис. 3 показана залежність сили струму від напруги. Кривій ОА відповідає прямий струм, а кривій ОB -незначний обернений струм, що обумовлений рухом неосновних носіїв електричного заряду.

Як видно з графіка, сила прямого струму залежить від напруги - вона збільшується із збільшенням напруги. Сила зворотного струму від напруги практично не залежить. Вона визначається кількістю неосновних носіїв, які виникають за одиницю часу.

Рис. 3. Рис. 4.

А ця кількість незмінна при фіксованих зовнішніх умовах (температура, освітленість тощо). Умовне зображення напівпровідникового діода показано на рис. 4. Якість напівпровідникового діода оцінюється коефіцієнтом випрямлення k, який дорівнює відношенню сили прямого струму до зворотного, виміряних при однаковій напрузі

При роботі з діодом необхідно враховувати значення найбільшої зворотної напруги, яка може бути прикладена до діода без порушення його нормальної роботи.

Порядок виконання роботи

1. Зібрати електричне коло за схемою, показаною на рис. 5.

2. З'єднати за допомогою провідників зібране коло з джерелом живлення.

3. Поставити повзунок реостата в крайнє положення (як зображено на схемі).

4. Подати напругу на реостат (потенціометр) замкнутого кола за допомогою ключа К.

5. Переміщуючи повзунок вздовж реостата, спостерігати за показниками вольтметра і міліамперметра. Записати 5-6 показників вольтметра і відповідних їм показників міліамперметра. Дані занести в таблицю 1.

6. Змінити полярність напруги, яка подається на діод (витягнути вилку з діодом із гнізда, повернути її на 180° і знову увімкнути).

7. Дії п. 5 повторити.

8. За знятими показниками вольтметра і міліамперметра побудувати вольт-амперну характеристику.

9. Обчислити коефіцієнт випрямлення для максимального значення напруги, яка використовується в роботі.

Рис. 5.

13.02.2026р.

Тема програми № 3. Напівпровідникові прилади.

Тема уроку № 5. Випрямлячі, їх призначення і застосування.

Працюємо з підручником:

http://www.svpu-profi.lg.ua/pdf/library/Litera-Elektrotehnika.pdf

https://elprivod.nmu.org.ua/ua/entrant/What_is_rectifier_ua.pdf

https://youtu.be/4-antn2U4FU?si=56uy4D2O06QqyS97

Опрацювати матеріал.

1. Призначення випрямлячів.

2. Структурна схема випрямляча.

3. Способи вмикання діодів.

4. Використання тиристорів у випрямлячах.

Д.З. Оформити конспект. Відповісти на питання:

1. Що називають випрямлячем.

2. Опишіть призначення діодів та їх застосування в тракторах.

3. Що називають керованим вентилем.

4. Поясніть принцип дії випрямляча.

5. Замалюйте схему способів вмикання діодів.

6. Замалюйте схему вмикання тиристорів.

7. Чому тиристор іноді називають півкерованим вентилем.

8. Поясніть де застосовують тиристорний мостовий випрямляч.

Випрямлячами називають пристрої, які перетворюють змінний струм у постійний. Випрямлячі служать джерелом живлення постійного струму електронних схем автоматики, систем керування Технологічними процесами, зварювального устаткування тощо.

Залежно від призначення випрямлячі можуть складатися з таких основних вузлів (рис. 1): вентильного блока, який перетворює змінний струм у пульсуючий, силового трансформатора, який збільшує або найчастіше зменшує напругу до потрібної на виході випрямляча, згладжувального блока (фільтра), призначеного для зменшення пульсацій випрямленого струму, і стабілізатора.

Рис. 1. Структурна схема випрямляча.

Залежно від числа фаз, а також від характеру навантаження та вимог до пульсації випрямленого струму схеми випрямлення бувають однофазні, трифазні й багатофазні.

Сучасні вентилі є звичайно напівпровідниковими (малопотужні – на основі кристалів германію, більш потужні – кремнієві).

Найпростіший з вентилів (діод) є некерованим. Він має два виводи (анод А та катод К, див. рис. 2) та може проводити струм лише в одному напряму – від аноду до катоду. Якщо до аноду прикласти позитивний потенціал, а до катоду – від’ємний (як на рис. 2а), діод буде відкритий та ним протікатиме струм. Якщо поміняти напрям вмикання діода (як на рис. 2б) або джерела живлення U , діод буде закритий та струм буде відсутній. Будемо вважати, що діод – ідеальний вентиль (тобто його внутрішній опір у відкритому стані дорівнює нулю, а у закритому – безкінечності). Графічне позначення діода на електричних схемах схоже на стрілку, яка показує єдиний можливий напрямок протікання струму. Аби відрізнити на схемі один діод від інших, поряд із їх графічним позначенням пишуть букви VD та поточний номер діода (наприклад, VD1).

Рис. 2. Способи вмикання діода (а – прямий, б – зворотній)

Однофазні схеми випрямлення можуть бути однонапівперіодні, в яких струм через вентиль проходить тільки протягом часу одного напівперіоду змінної напруги мережі, та двонапівперіодні, в яких струм проходить через вентиль протягом часу обох періодів. Однофазний однонапівперіодний випрямляч (рис. 3) складається з трансформатора, до вторинної обмотки якого послідовно ввімкнено діод і навантаження R_н_.У перший напівперіод, тобто в інтервалі часу 0 — 7/2, діод відкритий, оскільки потенціал точки а вищий, ніж потенціал точки Ъ, і під дією напруги в колі вторинної обмотки трансформатора виникає струм I_н. В інтервалі часу Т/1 — Т діод закритий і струм у вторинному колі трансформатора відсутній. В інтервалі часу Т — 3/2 Т діод знову відкритий і т. д. Таким чином, використовується тільки частина потужності трансформатора, до діода прикладена висока зворотна напруга. Такий випрямляч має низький коефіцієнт корисної дії. Особливістю його є простота конструкції.

Дуже поширений двонапівперіодний випрямляч (рис. 4), який складається з силового трансформатора, до вторинної обмотки якого ввімкнено чотири діоди за мостовою схемою. На одну з діагоналей моста подається змінна напруга, а на другу вмикається навантаження.

У перший напівперіод, коли потенціал точки 1 вищий, ніж потенціал точки II (в інтервалі часу 0 — 7/2), пара діодів Д1 і ДЗ будуть відкриті, а інша пара діодів Д2 і Д4 — закриті.

Рис. 3. Схема (а) і погодинна діаграма напруги (б) однофазного однонапівперіодного випрямляча.

Рис. 4. Схема (а) і погодинна діаграма напруги (б) однофазного двонапівперіодного (мостового) випрямляча.

При цьому струм через навантаження пройде по шляху 1 — 1 — 2 — З — 4 — II. В інтервал часу 7/2 — Т потенціал точки II стане вищим, ніж потенціал точки І. При цьому діоди Д2 і Д4 будуть відкриті, а діоди Д1 і ДЗ — закриті. Струм через навантаження пройде по шляху II— 4 — 2 — З — 1 — І. Це означає, що в обидва напівперіоди струм через навантаження проходить в тому самому напрямку.

Тиристор є вентилем керованим. Окрім анода та катода, він має третій вивід (керуючий електрод КЕ на рис. 5). Він також проводить струм лише в одному напрямку (від анода до катода). Для його відкривання необхідно виконати дві умови:

- подати до анода позитивний потенціал відносно катода (як для діода);

- забезпечити протікання в колі між керуючим електродом та катодом струму керування к i , направленого як на рис. 5а.

Рис. 5. Два стани тиристора (а – відкритий та б – закритий)

Для забезпечення протікання струму керування використовують додаткове джерело напруги керування к u . Величина струму керування набагато менша від струму між анодом та катодом (тобто силового струму). Якщо коло керуючого електрода розімкнути (як на рис. 5б), струм керування буде відсутній, і тиристор не відкриється. Графічне позначення тиристора подібне до позначення діода, проте має третій вивід КЕ. Нумерацію тиристорів на схемах здійснюють із використанням букв VS . Завдяки наявності керуючого електрода тиристор стає керованим вентилем. Він відкриється лише тоді, коли буде виконано не лише першу умову його відкривання, а й другу. Тому струм керування можуть подавати не одразу після виконання першої умови, а дещо пізніше. Цей струм подається від спеціальної системи керування. Надалі ми не будемо зображувати коло, яким протікає струм керування. Тиристор має одну особливість: він відкривається за допомогою керуючого електрода, проте закривається лише тоді, коли струм між анодом та катодом зникне. Домогтися цього за допомогою керуючого електрода неможливо. Тому тиристор іноді називають півкерованим вентилем.

Рис. 6. Діоди (а); діоди та тиристори (6).

Конструкція діодів малої потужності показана на рис. 6а. У верхнього діода (більш потужного за нижні) катод розташований з лівого боку. Знизу зображено діодний місток (про них нижче). Більш потужні діоди та тиристори зображено на рис. 6б. Катод звичайно має різьбу, якою закріплюється на охолоджувачі, анод – гнучкий вивід. Охолоджувачі (радіатори), відводячи тепло від вентиля, запобігають їх перегріванню. Найбільш потужні прилади мають таблеткову конструкцію, яка забезпечує відвід тепла назовні від обох торців.

Мостові випрямлячі використовуються для живлення споживачів більшої потужності. Більш розповсюджена мостова схема (рис. 7а).

Рис. 7. Мостовий випрямляч

До її складу входять чотири діоди, які працюють попарно-почергово.

На першому півперіоді живильної напруги (права клема джерела має позитивний потенціал) відкриті діоди VD1 та VD4 , утворюється шлях протікання струму, зображений на рис. 7б. До навантаження прикладається позитивна напруга. На другому півперіоді відкриті VD2 та VD3, а струм протікає, як показано на рис. 7в (у навантаженні – у тому ж напрямку). До навантаження знову прикладена позитивна напруга. Випрямлені напруга та струм у часі змінюються згідно рис. 7г. Оскільки обидва півперіоди напруги живлення є робочими, середнє значення випрямленої напруги вдвічі більше порівняно зі схемою рис. 6а. Мостові діодні випрямлячі невеликої потужності випускають у вигляді т.з. «діодних містків».

Якщо потрібно не тільки формувати на навантаженні знакопостійну напругу, а й змінювати в разі потреби її середнє значення (для регулювання зварювального струму, швидкості електродвигуна), замість діодів у випрямлячах використовують тиристори (рис. 8а). Якщо тиристори отримують до кола керування керуючий струм одразу, коли напруга на їх анодах стає позитивною, тиристори працюють як діоді, і процеси в схемі нічим не відрізняються від розглянутих раніше. Якщо ж затримати подачу струму керування, відкривання тиристорів відбудеться пізніше (на рис. 8б – по закінченні часу затримки з t ). Доки тиристори закриті, струм відсутній, і напруга до навантаження не прикладається. З кривої випрямленої напруги «вирізається» певна ділянка, і середнє цієї значення напруги зменшується.

Збільшення затримки з t призводить до подальшого зменшення середньої випрямленої напруги.

Рис. 8. Тиристорний мостовий випрямляч

Тиристорні випрямлячі використовуються в електроприводах постійного струму для живлення обмоток якоря та збудження електродвигунів постійного струму. На рис. 9 показаний зовнішній вигляд подібного електропривода. Окрім суто випрямляча, до його складу входять мікропроцесорні системи керування тиристорами та швидкістю і моментом електричного двигуна, дисплей та пульт керування для діалогу з користувачем, а також додаткові елементи, які забезпечують функціонування електропривода.

06.02.2026р.

Тема програми № 3. Напівпровідникові прилади.

Тема уроку № 4. Напівпровідникові діоди, будова, робота і параметри. Правила зображення на схемах.

Працюємо з підручником:

http://www.svpu-profi.lg.ua/pdf/library/Litera-Elektrotehnika.pdf

Опрацювати матеріал.

1. Призначення діодів.

2. Будова діодів.

3. Класифікація діодів.

Д.З. Оформити конспект. Відповісти на питання:

1. Що називають напівпровідниками?

2. Призначення діодів.

3. Що називають діодом?

4. Поясніть принцип дії діоду.

5. Як класифікують діоди..

6. Які бувають типи діодів?

7. Замалюйте умовні графічні позначення діодів на принципових електричних схемах.

Напівпровідниковим діодом називається пристрій, що складається із кристала напівпровідника, що містить один р-n перехід і має два виводи.

Класифікація діодів здійснюється за наступними ознаками:

- За конструкцією: площинні діоди, точкові діоди, мікросплавні діоди;

- За потужністю: малопотужні, середньої потужності, потужні;

- За частотою: низькочастотні, високочастотні, НВЧ;

- За функціональним призначенням: випрямляючі діоди; імпульсні діоди; стабілітрони; варикапи; світлодіоди, фотодіоди, тунельні діоди.

Відповідно до діючої системи маркування напівпровідникові діоди позначають чотирма елементами.

Першим елементом (буквою або цифрою) позначають вихідний матеріал:

- Г або 1 - германій;

- К або 2 - кремній;

- А або 3 - арсенід галію.

Другим елементом (буквою) позначають тип напівпровідникового діода:

- Д - випрямляючі, універсальні, імпульсні діоди;

- Ц - випрямляючі стовпи і блоки;

- А - надвисокочастотні діоди;

- С - стабілітрони;

- И - тунельні діоди;

- В - варикапи;

- Ф - фотодіоди;

- Л - світло діоди.

Третій елемент - число, що вказує на призначення та електричні властивості діода:

а) діоди низької частоти: випрямляючі - від 101 до 399; універсальні - від 401 до 499; імпульсні - від 501 до 599; варикапи - від 101 до 999;

б) надвисокочастотні діоди - від 101 до 699; фотодіоди - від 101 до 199;

в) тунельні діоди: підсилювальні - від 101 до 199; генераторні - від 201 до 299; перемикаючі - від 301 до 399;

г) стабілітрони - від 101 до 999.

Четвертим елементом (буквою) позначають різновиди типів з даної групи приладів. Для напівпровідникових діодів, які не мають різновидів типу, четвертого елемента немає.

Приклади маркування:

КС156А - кремнієвий стабілітрон, різновидність типу А;

2Д503Б - кремнієвий імпульсний діод, різновидність типу Б;

1И302В - германієвий тунельний діод, різновидність типу Г

Умовне графічне позначення діодів на принципових електричних схемах

а) випрямляючі, високочастотні, НВЧ, імпульсні й діоди Гана;

б) стабілітрони;

в) варикапи;

г) тунельні діоди;

д) діоди Шотткі;

е) світлодіоди;

ж) фотодіоди;

з) випрямляючі блоки.

Стабілітрон (або діод Зенера) — це напівпровідниковий діод, який спеціально розроблений для роботи в режимі «зворотного пробою» та використовується для стабілізації (підтримки постійного рівня) напруги в електричних ланцюгах, на відміну від звичайних діодів, де пробій є аварійним режимом. Він підтримує майже незмінну напругу на своїх виводах у широкому діапазоні струмів, що робить його ідеальним для захисту чутливих компонентів та створення опорних напруг.

Принцип роботи

Звичайний режим: Як і звичайний діод, пропускає струм в одному напрямку (пряме зміщення).

Режим стабілізації (зворотний пробій): При досягненні певної напруги (напруги Зенера), діод починає проводити зворотний струм, при цьому напруга на ньому залишається практично постійною, навіть якщо струм через нього значно змінюється.

Ключові характеристики

Номінальна стабілізаційна напруга (Vz): Напруга, при якій відбувається стабілізація.

Динамічний опір (rz): Опір у режимі стабілізації, що впливає на точність регулювання.

Максимальна потужність розсіювання (Pz): Максимальна потужність, яку діод може розсіювати без пошкодження.

Застосування

Регулятори напруги: Для захисту схем від перепадів напруги.

Опорні джерела напруги: Для створення точних опорних рівнів напруги.

Варикап — це спеціальний напівпровідниковий діод, ємність якого змінюється залежно від прикладеної зворотної напруги, що дозволяє використовувати його як електронно керований конденсатор для перестройки частоти в радіоприймачах, генераторах, частотних модуляторах та ін. По суті, це гібрид діода та змінного конденсатора, що дозволяє "налаштовувати" його ємність без механічних деталей.

Принцип роботи

П-n перехід: Кожен напівпровідниковий діод має п-n перехід, який діє як ізолятор, і його товщина залежить від прикладеної напруги.

Зміна ємності: При подачі зворотної напруги на варикап, товщина цього ізолюючого шару змінюється. Оскільки ємність конденсатора залежить від площі обкладок (п-n переходу) та відстані між ними (товщини переходу), зміна напруги дозволяє плавно змінювати ємність варикапа.

Керування: Зміна ємності відбувається електрично, без механічного втручання, що робить його ідеальним для автоматичного регулювання та стабілізації частоти.

Застосування

Автоматичне регулювання частоти: У радіоприймачах для пошуку станцій.

Частотна модуляція: Зміна частоти сигналу.

Ділення та множення частоти: У генераторах.

Фазовращателі та фільтри: В електронних схемах.

Синоніми:

Варактор (від англ. variable - змінний, act - дія, actor - той, хто діє) - синонім з дещо іншим акцентом.

Тунельний діод (діод Есакі) — це напівпровідниковий елемент, що використовує квантово-механічний ефект тунелювання носіїв заряду через тонкий потенційний бар'єр, що створює унікальну властивість: ділянку від'ємної диференційної провідності на вольт-амперній характеристиці, де зі збільшенням напруги струм зменшується. Ця властивість дозволяє застосовувати його як високочастотний генератор, підсилювач та швидкісний перемикач, зокрема у мікрохвильових пристроях.

Принцип роботи

Тунелювання електронів через надтонкий p-n перехід.

Особливість: Ділянка негативного диференційного опору (від'ємна провідність).

Матеріал: Часто використовують арсенід галію (GaAs).

Швидкодія: Дуже висока, завдяки чому працює на надвисоких частотах.

Застосування

Генератори: У високочастотних та мікрохвильових осциляторах.

Підсилювачі: В підсилювачах з відбиттям (reflection amplifiers).

Комутація: Як надшвидкісні перемикачі.

Пам'ять: Для зберігання логічної інформації.

Приймачі: У FM-приймачах та ін. коливальних колах.

Діоди Шотткі — це напівпровідникові діоди з бар'єром метал-напівпровідник, що характеризуються дуже низьким падінням прямої напруги (\(0,2–0,4В) та високою швидкістю перемикання. Вони ідеальні для високочастотних схем, імпульсних блоків живлення та низьковольтних ланцюгів. На відміну від звичайних діодів, вони не мають (p-n) переходу, що мінімізує час відновлення.

Основні характеристики та особливості

Низьке падіння напруги: У прямій напрузі (близько (0,2-0,3В) порівняно зі звичайними кремнієвими діодами (0,7В), що зменшує втрати енергії та нагрівання.

Висока швидкість: Через відсутність заряду міноритарних носіїв («гарячі носії»), вони здатні перемикатися на високих частотах (до 100ГГц).

Низька зворотна напруга: Зазвичай не перевищує (60-100В ) (хоча існують моделі до (1200В), що обмежує їх використання в мережах з дуже високою напругою.

Високий зворотний струм: Мають вищий струм витоку порівняно зі звичайними діодами.

Застосування

Використовуються в випрямлячах, захисних схемах, детекторах та джерелах живлення.

Основний недолік — чутливість до перевищення зворотної напруги, що може призвести до миттєвого виходу з ладу.

Світлодіоди (LED — Light Emitting Diode) — це напівпровідникові прилади, які перетворюють електричний струм безпосередньо на світло (електролюмінесценція). Вони є енергоефективними, довговічними та компактними джерелами світла, що не нагріваються, як лампи розжарювання. Основні переваги: низьке споживання енергії, стійкість до вібрацій та широкий спектр кольорів.

Ключові особливості світлодіодів

Принцип роботи

Випромінюють світло при проходженні струму через напівпровідник.

Енергоефективність: Споживають значно менше енергії порівняно з лампами розжарювання та люмінесцентними лампами.

Довговічність: Термін служби може досягати 100 000 годин.

Колір: Залежить від хімічного складу напівпровідника, можуть світити будь-яким кольором, включаючи білий (теплий, нейтральний, холодний).

Застосування

Використовуються в побутовому та вуличному освітленні, індикаторах, дисплеях, автомобільному світлі.

Світлодіоди (або LED-елементи) можуть випромінювати світло у вузькому спектрі, а сучасні білі світлодіоди створюються шляхом використання люмінофора.

Фотодіоди — це напівпровідникові фотоелектронні прилади, які перетворюють світлове випромінювання (видиме або інфрачервоне) на електричний струм або напругу. Вони працюють на основі p-n переходу, використовуючи внутрішній фотоефект для генерації електрон-діркових пар під дією світла. Зазвичай працюють у режимі зворотного зміщення, забезпечуючи високу чутливість.

Основні характеристики та особливості

Принцип дії

При потраплянні фотонів на робочу область створюється фотострум, який залежить від освітленості.

Лавинні фотодіоди: Високочутливі детектори, що працюють у режимі лавинного пробою.

Переваги: Мала вага, компактність, висока швидкість дії.

Застосування

Використовуються в оптоелектроніці, лазерних далекомірах, системах зв'язку (оптоволокно), датчиках світла та медичній техніці.

Фотодіоди часто плутають із сонячними батареями (фотоелементами), проте фотодіоди призначені більше для виявлення та вимірювання світла.

Випрямний блок (діодний міст) — це напівпровідниковий пристрій, призначений для перетворення змінного електричного струму (AC) у постійний струм (DC). Він використовується в автомобілях (генераторах), зварювальних апаратах та електроніці для забезпечення живлення постійною напругою. Складається з діодів, що пропускають струм в одному напрямку.

Основні характеристики та призначення:

Перетворення енергії: Здійснює випрямлення однофазного або трифазного змінного струму.

Конструкція: Являє собою діодний міст або модуль, що часто монтується на радіатор для відведення тепла.

Застосування

Автомобільні генератори: Випрямляють струм для зарядки акумулятора (наприклад, блоки БВ21-150).

Зварювальне обладнання: Для живлення зварювальної дуги постійним струмом (ВДМ 6303).

Електроніка: У блоках живлення та зарядних пристроях.

Випрямний блок зазвичай складається з 3 або 6 діодів, що забезпечують надійне перетворення.

30.01.2026р.

Тема програми № 3. Напівпровідникові прилади.

Тема уроку №3. Електричні властивості напівпровідників.

Працюємо з підручником:

http://www.svpu-profi.lg.ua/pdf/library/Litera-Elektrotehnika.pdf

Опрацювати матеріал.

1. Призначення напівпровідників.

2. Будова напівпровідників.

3. Робота напівпровідників.

Д.З. Оформити конспект. Відповісти на питання:

1. Що називають напівпровідниками?

2. Призначення напівпровідників.

3. Що називають діодом?

4. Поясніть принцип дії діоду.

5. Що означає р-n-перехід.

6. Які бувають типи діодів?

7 . Як класифікують силові напівпровідникові елементи

8. Що називають напівпровідниковим діодом?

9. Від чого залежить ВАХ напівпровідникових діодів.

10. Які діоди відносяться до не керованих?

11. Де застосовуються селенові діоди.

Діоди широко застосовуються в електроніці та електронної промисловості. Вони використовуються як самостійно, так і в якості pn-переходу транзисторів і багатьох інших пристроїв. Як дискретний компонент діоди є ключовою частиною багатьох електронних схем. Вони знаходять безліч застосувань, починаючи від малопотужних додатків до випрямлячів струму.

Що таке діод? У перекладі з грецької назва даного електронного елемента буквально означає «два висновки». Вони називаються анодом і катодом. У ланцюзі струм проходить від анода до катода. Напівпровідниковий діод є одностороннім елементом, і рух струму в протилежному напрямку блокується.

Рис. 1. Умовне зображення діода (зверху)

і приклад зовнішнього вигляду випрямних діодів (знизу)

Принцип дії. Пристрій напівпровідникових діодів дуже різний. Це є причиною того, що існує багато їх типів, які різняться як за номіналом, так і по виконуваним ними функціям. Проте в більшості випадків основний принцип роботи напівпровідникових діодів однаковий. Вони містять р-n-перехід, який і забезпечує їх базову функціональність. Цей термін зазвичай використовується по відношенню до стандартної форми діода. Насправді ж він застосовний практично до будь-якого їх типу. Діоди складають основу сучасної електронної промисловості. Все - від простих елементів і транзисторів до сучасних мікропроцесорів - базується на напівпровідниках. Принцип дії напівпровідникового діода заснований на властивостях напівпровідників. Технологія спирається на групу матеріалів, внесення домішок в кристалічну решітку яких дозволяє отримати ділянки, в яких носіями заряду є дірки і електрони.

Р-n-перехід. Діод р-n-типу отримав свою назву тому, що в ньому використовується р-n-перехід, який дозволяє току текти тільки в одному напрямку. Елемент володіє і іншими властивостями, які також знаходять широке застосування. Напівпровідникові діоди, наприклад, мають здатність випромінювати та реєструвати світло, змінювати ємність і регулювати напругу.

Pn-перехід є базовою напівпровідникової структурою. Як випливає з назви, він являє собою з'єднання між областями p- і n-типу. Перехід дозволяє носіям заряду рухатися тільки в одному напрямку, що, наприклад, дає можливість перетворювати змінний струм в постійний. Стандартні діоди зазвичай виробляються з кремнію, хоча також використовується германій та інші напівпровідникові матеріали, в основному для спеціальних цілей.

Вольт-амперна характеристика. Діод характеризується вольт-амперної кривої, яку можна розділити на 2 гілки: пряму і зворотну. У зворотному напрямку струм витоку близький до 0, але з ростом напруги він повільно збільшується і при досягненні напруги пробою починає різко зростати. У прямому напрямку струм швидко наростає зі збільшенням прикладеної напруги вище порога провідності, який становить 0, 7 В для діодів з кремнію і 0, 4 В з германію. Елементи, в яких використовуються інші матеріали, мають інші вольт-амперні характеристики і напруги порога провідності і пробою.

Діод c р-n-переходом можна розглядати як пристрій базового рівня. Він широко використовується в багатьох додатках - від сигнальних ланцюгів і детекторів до обмежувачів або заглушувачів перехідних процесів в індукційних або релейних котушках і випрямлячів високої потужності.

Характеристики та параметри. Специфікації діодів надають великий обсяг даних. При цьому точні пояснення того, що вони собою являють, не завжди доступні. Нижче наведені докладні відомості про різні характеристики і параметри діода, які наводяться в специфікаціях.

Матеріал напівпровідника. Матеріал, що використовується в р-n-переходах, має першорядне значення, оскільки він впливає на багато основні характеристики напівпровідникових діодів. Найбільш широко застосовується кремній, оскільки він відрізняється високою ефективністю і низькими виробничими витратами. Ще одним часто використовуваним елементом є германій. Інші матеріали, як правило, застосовуються в діодах спеціального призначення. Вибір напівпровідникового матеріалу важливий, оскільки від нього залежить поріг провідності - близько 0, 6 В для кремнію і 0, 3 В для германію.

Падіння напруги в режимі прямого струму (U пр.). Будь-який електричний ланцюг, через яку проходить струм, викликає падіння напруги, і цей параметр напівпровідникового діода має велике значення, особливо для випрямлення, коли втрати потужності пропорційні U пр. Крім того, електронні елементи часто повинні забезпечувати невелике падіння напруги, оскільки сигнали можуть бути слабкими, але їм все ж необхідно подолати його. Це відбувається з двох причин.

Перша полягає в самій природі р-n-переходу і є результатом напруги порога провідності, яке дозволяє току подолати збіднений шар.

Друга складова - нормальні резистивні втрати.

Показник має велике значення для випрямних діодів, за якими можуть проходити великі струми.

Пікова зворотня напруга (U обр. Max). Це найбільше зворотне напруга, яке напівпровідниковий діод може витримати. Його не можна перевищувати, інакше елемент може вийти з ладу. Це не просто середньоквадратичне напруга вхідного сигналу. Кожен ланцюг повинен розглядатися по суті, але для простого випрямляча з одного півхвилею зі згладжуючим конденсатором слід пам'ятати, що конденсатор буде утримувати напругу, рівну піку вхідного сигналу. Потім діод буде піддаватися дії піку вхідного сигналу в зворотному напрямку, і тому в цих умовах буде мати місце максимальне зворотне напруга, рівне пікового значення хвилі.

Максимальний прямий струм (U пр. Max). При проектуванні електричного кола необхідно упевнитися в тому, що ні перевищуються максимальні рівні струму діода. У міру збільшення сили струму виділяється додаткове тепло, яке необхідно відводити.

Струм витоку (I обр.). В ідеальному діоді зворотного струму не повинно бути. Але в реальних р-n-переходах він є через присутність в напівпровіднику неосновних носіїв заряду. Сила струму витоку залежить від трьох чинників. Очевидно, що найбільш значущим з них є зворотна напруга. Також струм витоку залежить від температури - з її ростом він значно підвищується. Крім того, він сильно залежить від типу напівпровідникового матеріалу. В цьому відношенні кремній набагато краще германію.

Струм витоку визначається при певному зворотній напрузі і конкретної температурі. Зазвичай він вказується в мікроамперах (μA) або пікоампер (pA).

Ємність переходу. Всі напівпровідникові діоди мають ємністю переходу. Збіднена зона являє собою діелектричний бар'єр між двома пластинами, які формуються на краю збідненого ділянки і області з основними носіями заряду. Фактичне значення ємності залежить від зворотного напруги, що призводить до зміни перехідної зони. Його збільшення розширює обедненную зону і, отже, зменшує ємність. Цей факт використовується в варакторів або варикапах, але для інших застосувань, особливо радіочастотних, цей ефект необхідно звести до мінімуму. Параметр зазвичай вказується в pF при заданій напрузі. Для багатьох радіочастотних застосувань доступні спеціальні низькоомні діоди.

Тип корпусу. Залежно від призначення напівпровідникові діоди виробляються в корпусах різного типу і форми. У деяких випадках, особливо при використанні в схемах обробки сигналів, корпус є ключовим елементом у визначенні загальних характеристик цього електронного елемента. У силових ланцюгах, в яких важливо розсіювання тепла, корпус може визначати багато загальні параметри діода. Пристроїв великої потужності необхідно мати можливість кріплення до радіатора. Невеликі елементи можуть проводитися в свинцевих корпусах або в якості пристроїв для поверхневого монтажу.

Типи діодів. Іноді буває корисно ознайомитися з класифікацією напівпровідникових діодів. При цьому деякі елементи можуть ставитися до декількох категорій.

Звернений діод. Хоча він і не так широко використовується, є різновидом елемента р-n-типу, який за своєю дією дуже схожий на тунельний. Відрізняється низьким падінням напруги в відкритому стані. Знаходить застосування в детекторах, випрямлячах і високочастотних перемикачах.

Інжекційно-пролітний діод. Має багато спільного з більш поширеним лавинно-пролітних. Використовується в СВЧ-генераторах і системах сигналізації.

Діод Ганна. Не відноситься до р-n-типу, але є напівпровідниковий пристрій з двома висновками. Він зазвичай використовується для генерації і перетворення сигналів НВЧ в діапазоні 1-100 ГГц.

Діоди або світлодіод - один з найбільш популярних типів електронних елементів. При прямому зміщенні струм, що протікає через перехід, викликає випромінювання світла. У них використовуються складові напівпровідники (наприклад, арсенід галію, фосфід галію, фосфід індію), і вони можуть світитися різними кольорами, хоча спочатку обмежувалися тільки червоним. Існує безліч нових розробок, які змінюють спосіб функціонування і виробництва дисплеїв, прикладом яких є OLED-світлодіоди.

Фотодіод. Використовується для виявлення світла. Коли фотон потрапляє на pn-перехід, він може створювати електрони і дірки. Фотодіоди зазвичай працюють в умовах зворотного зсуву, при яких можна легко виявити навіть невеликий струм, що виникає в результаті дії світла.

Фотодіоди можна використовувати для генерації електроенергії. Іноді в якості фотоприймачів застосовуються елементи pin-типу.

Pin-діод. Назва електронного елемента добре описує пристрій напівпровідникового діода. У нього стандартні області р-і n-типу, але між ними існує внутрішня область без домішок. Вона надає ефект збільшення площі області виснаження, яка може бути корисна для перемикання, а також в фотодиодах і т.л.

Стандартний р-n-перехід можна розглядати як звичайний або стандартний тип діода, який використовується сьогодні. Вони можуть застосовуватися в радіочастотних або інших низьковольтних пристроях, а також в високовольтних і надпотужних випрямлячах.

Діоди Шотткі. Мають нижчий пряме падіння напруги, ніж стандартні кремнієві напівпровідники р-n-типу. При малих токах воно може становити від 0, 15 до 0, 4 B, a НЕ 0, 6 В, як у кремнієвих діодів. Для цього вони виготовляються не як зазвичай - в них використовується контакт метал-напівпровідник. Вони широко застосовуються в якості обмежувачів, випрямлячів і в радіоапаратурі.

Діод з накопиченням заряду. Являє собою різновид СВЧ-діода, використовуваного для генерації і формування імпульсів на дуже високих частотах. Його робота заснована на дуже швидкої характеристиці відключення.

Лазерний діод. Відрізняється від звичайного світловипромінюючого, оскільки виробляє когерентний світло. Лазерні діоди застосовуються в багатьох пристроях - від DVD і CD-приводів до лазерних вказівок. Вони набагато дешевше інших форм лазерів, але значно дорожче світлодіодів. Відрізняються обмеженим терміном експлуатації.

Тунельний діод. Хоча сьогодні він широко не використовується, раніше застосовувався в підсилювачах, генераторах і перемикаючих пристроях, схемах синхронізації осцилографів, коли він був ефективнішим інших елементів.

Варактор або варікап. Використовується в багатьох радіочастотних пристроях. У даного діода зворотне зміщення змінює ширину шару виснаження в залежності від прикладеної напруги. У цій конфігурації він діє як конденсатор з областю виснаження, яка виконує роль ізолюючого діелектрика, і пластинами, освіченими проводять областями. Застосовується в генераторах, керованих напругою, і радіочастотних фільтрах.

Стабілітрон. Є дуже корисним типом діода, оскільки забезпечує стабільну опорна напруга. Завдяки цьому стабілітрон використовується в величезних кількостях. Працює в умовах зворотного зсуву і пробивається при досягненні певної різниці потенціалів. Якщо струм обмежений резистором, то це забезпечує стабільну напругу. Широко використовується для стабілізації джерел харчування. У стабілітронах мають місце 2 види зворотного пробою: розкладання Зинера і ударна іонізація.

Таким чином, різні типи напівпровідникових діодів включають елементи для малопотужних і надпотужних застосувань, що випромінюють і які виявляють світло, з низьким прямим падінням напруги і змінної ємністю. На додаток до цього існує ряд різновидів, які використовуються в НВЧ-техніці.

Силові напівпровідникові елементи. Класифікація силових напівпровідникових елементів, яка історично склалася на шляху їх розвитку представлена нижче.

IGBT - Insulated-gate bipolar transistor, (біполярний транзистор із ізольованим затвором)

MOSFET - metal-oxide-semiconductor field effect transistor (металл-оксид-напівпровідник або польовий транзистор з ізольованим затвором)

Напівпровідниковий діод – прилад, що має два зовнішніх виводи, та містить один p-n перехід. Зовнішні виводи називають анод (А) та катод (К) - рис. 2, а, б. Існують різні типи діодів, графічні зображення деяких з них наведено на рис. 2, в.

Рис. 2 Напівпровідниковий діод

Принцип дії напівпровідникових приладів заснований на явищі однобічної провідності межі розділу двох напівпровідників з різними типами електропровідності: електронної (електропровідність n-типу) і діркової (електропровідність р-типу). Область електропровідності n-типу характеризується тим, що проходження струму тут відбувається за рахунок переносу негативно заряджених електронів, надлишкова кількість яких створюється шляхом введення до монокристалу напівпровідника донорних домішок, наприклад сурми, миш'яку, фосфору. В області електропровідності р-типу проходження струму обумовлене переносом позитивно заряджених “дірок” (дірка - це атом, у якого не вистачає одного електрона і який має позитивний заряд, що за абсолютною величиною дорівнює заряду електрона). Дірки отримують шляхом введення до монокристалу напівпровідника акцепторних домішок, наприклад індію, бору, алюмінію.

Крім цього в примісних напівпровідниках завжди поряд з основними носіями, концентрація яких велика, існують також неосновні носії: дірки в напівпровідниках n-типу та електрони в напівпровідниках р-типу. У напівпровідниках без домішок число електронів завжди дорівнює числу дірок.

При безпосередньому контактуванні двох напівпровідників, один з яких має електронну, а інший діркову електропровідність, отримується так званий електронно-дірковий перехід (р-п перехід), основною властивістю якого є залежність величини його опору від полярності прикладеної напруги. Для приєднання до зовнішнього кола в р-п зонах напівпровідника створюють омічні контакти з виводами.

Розглянемо на прикладі двошарового кристала кремнію процеси, що відбуваються в р-п переході при впливі на нього зовнішньої напруги. Якщо до р-області прикласти позитивний потенціал, а до n- області - негативний, то основні носії струму будуть рухатися в приграничному шарі назустріч один одному (рис. 3,а). В результаті опір р-п переходу зменшується і через границю розділу проходить прямий струм Iпр, обмежений практично тільки опором навантаження RH.

Зовнішня напруга Uпр такої полярності називається прямою або провідною. При зміні полярності прикладеної напруги (рис. 3,б) дірки в р-області й електрони в n-області напівпровідника будуть віддалятися від границі розділу, що приводить до збільшення опору р-п переходу, а потік основних носіїв зменшується до нуля. Через р-п перехід проходить незначний струм, створюваний неосновними носіями, для яких прикладена різниця потенціалів є прискорювальною. Зовнішня напруга такої полярності називається зворотною Uзвор або замикаючою, а обумовлений нею невеликий струм - зворотним струмом Iзвор.

Рис. 3 - Проходження струму через р-п перехід напівпровідникового діода: а - відкритий (провідний) стан; б - закритий (непровідний) стан; в - вольт-амперна характеристика

Таким чином, значення і напрям струму, що проходить через р-n перехід двошарової напівпровідникової структури, залежать від значення і знаку зовнішньої напруги, тобто р-п перехід має випрямляючі (вентильні) властивості.

Залежність струму I, що проходить через р-n перехід, від прикладеної до нього напруги U називається вольт-амперною характеристикою (ВАХ) переходу. Ця характеристика має дві гілки (рис. 3,в): одна розташована в першому квадранті і відповідає провідному напрямку в р-n переході (прямому струму в ньому), друга – у третьому квадранті і характеризує замикаючі властивості переходу.

Некеровані діоди. У пристроях промислової електроніки використовуються кремнієві, германієві і селенові некеровані діоди, або вентилі.

Кремнієві діоди. Розглянемо будову і ВАХ кремнієвого діода. Вихідним матеріалом цих діодів є тонкі пластинки, вирізані з монокристалу кремнію з електронним типом електропровідності, в яких сплавленням з алюмінієм або дифузією у кремній атомів алюмінію або бору створено шар з електропровідністю р- типу.

Кремнієвий диск з р-п переходом припаюють між молібденовими пластинками (рис. 4,а), які мають приблизно такий же коефіцієнт лінійного розширення, як і кремній, і гарну теплопровідність. Електрод, що приєднується до шару напівпровідника з електропровідністю n-типу, є катодом K, а електрод, що приєднується до шару з електропровідністю p-типу - анодом А. Отримана в такий спосіб двошарова монокристалічна р-n структура міститься в нерозбірному герметичному металоскляному або керамічному корпусі, який захищає її від зовнішніх впливів (вологи, бруду, механічних ушкоджень).

Нижня частина корпусу виконана у вигляді шестигранної гайки і закінчується шпилькою з різьбленням для вгвинчування вентиля до охолоджувача. Така конструкція корпусу діода забезпечує гарний відвід тепла від р-n переходу до навколишнього середовища і служить як зовнішній вивід катода. Зовнішнім виводом анода є гнучкий мідний провід з наконечником, ізольований від корпусу ізолятором.

Рис. 4 - Кремнієвий діод: а - будова, б - умовне позначення

На рис. 5 зображені ВАХ кремнієвого діода на номінальний струм 200 А. Пряма гілка має дві характерні ділянки: на першій ділянці, що майже співпадає з віссю абсцис, вентиль має великий опір, із зростанням прямої напруги струм росте незначно; на другій ділянці при збільшенні Uпр > Uо опір вентиля різко зменшується, а прямий струм Iпр зростає до значень, обумовлених опором навантаження. На зворотній гілці розрізняють три характерних ділянки: перша ділянка ОА порівняно невелика, вентиль має ще малу провідність і через перехід проходить невеликий струм Iзвор, вимірюваний міліамперами; на другій ділянці АБ при значному збільшенні зворотної напруги струм Iзвор досягає насичення і зростає незначно; третя ділянка БВ характерна тим, що при певних значеннях зворотної напруги струм Iзвор різко зростає і наступає пробій р-п переходу. Величина напруги Uп, при якій зворотна гілка різко вигибається, називається пробивною напругою.

Для нормальної роботи вентиля припустиму (номінальну) зворотну напругу Uзвор.н беруть удвічі меншою порівняно з пробивною напругою Uп.

Рис. 5 - Статичні ВАХ при різних температурах р-n переходу

кремнієвого діоду

Кремнієві силові вентилі випускають на струми від 10 до 1000 А і зворотні напруги від 100 до 1500 В.

Германієві діоди в порівнянні з кремнієвими мають менше пряме падіння напруги, а також менші значення припустимих зворотних напруг (500 – 600 В в порівнянні з 700 - 1500 В у кремнієвих діодів). Зворотний струм цих діодів на порядок більший, ніж у кремнієвих.

Селенові діоди допускають значно менші щільності прямого струму 50-60 мА/см² і менші значення зворотної напруги 40÷50 В, ніж германієві і кремнієві, що допускають щільності прямого струму 40÷80 А/см² і значення зворотної напруги 400÷1200 В.

Для підвищення значення Uзвор. доп широко використовують послідовне з'єднання селенових елементів в одному випрямному стовпчику, при цьому не потрібне застосування дільників напруги, як для германієвих і кремнієвих діодів. Характерною рисою селенових випрямлячів є більша перевантажувальна здатність (оскільки вони мають значну теплову інерцію) у порівнянні з германієвими і кремнієвими, а також менша чутливість до короткочасних перевантажень.

Відзначені властивості селенових діодів є стимулом до застосування їх у випрямлячах на низькі напруги і великі струми: зарядні пристрої, гальванічні й електролітичні установки та ін.

ВАХ напівпровідникових діодів залежать від температури р-п переходу. Із зростанням температури у всіх типів діодів мають місце зниження прямого падіння напруги при тих же прямих струмах, значне збільшення зворотного струму, супроводжуване невеликим збільшенням пробивної напруги в кремнієвих і селенових діодів.

23.01.2026р.

Тема програми № 2: Основи електростатики

Тема уроку № 2: Основи електростатики.

Працюємо з підручником:

(ЕлТ–I) - А.М.Гуржій .Електротехніка та основи електроніки. Підручник для здобувачів професійної (професійно-технічної) освіти.: / А.М.Гуржій, С.К.Мещанінов, А.Т.Нельга, В.М.Співак; Київ: Літера ЛТД, 2020. — 288с.

ЕлТ - I – сторінка 13-30 за посиланням

http://www.svpu-profi.lg.ua/pdf/library/Litera-Elektrotehnika.pdf

Опрацювати матеріал.

1. Електричні явища.

2. Закон Кулона.

3. Електрична напруга.

4. Діелектрики в електричному полі.

5. Електрична ємність. Плоский конденсатор

Д.З. Оформити конспект. Дати відповіді на питання:

1. Опишіть будову атому.

2. Який заряд має ядро, а який електрони?

3. Що називають іоном?

4. Які електрони називають вільними?

5. Що називають провідниками.

6. Що називають напівпровідником.

7. Що називають діелектриком?

8. Що називають електричним струмом?

9. Що називають напругою?

10. Дайте визначення закону Кулона.

11. В чому вимірюється напруга?

12. В чому вимірюється електричний струм.

13. Що таке електрична ємність і плоский конденсатор?

16.01.2026 р.

Тема програми №1. Вступ.

Тема уроку № 1. Вступ, значення електротехнічної підготовки СРСГМ 1-2 розряду.

Працюємо з підручником:

https://www.svpu-profi.lg.ua/pdf/library/Litera-Elektrotehnika.pdf

Опрацювати матеріал.

1. Загальні відомості про електричне поле.

2. Вироблення електрики.

Д.З. Оформити конспект. Описати, де в сільському господарстві застосовується електрика.

Вступ. Коротка характеристика і зміст предмета «Електротехніка», має добрий зв’язок з іншими предметами (математика, фізика, хімія). Велике значення приділяється для електротехнічної підготовки кваліфікованих робітників з професії слюсар з ремонту сільськогосподарських машин та устаткування. Що є запорукою їх подальшого професіоналізму.

Електрообладнання сучасного автомобіля чи трактора є складною системою, що включає більше 100 виробів. Застосування електроніки на автомобілях та тракторах забезпечує автоматизацію робочих процесів, економію пального, безпеку руху, чистоту навколишнього середовища та поліпшує умови праці водія.

Застосування електроніки набуває темпів. Зараз з'явилися регулятори напруги на інтегральних схемах, мікропроцесорні системи запалювання, електронні пристрої керування гальмами і впорскування пального. Електронні системи використовуються також для діагностування технічного стану вузлів та агрегатів автомобілів та тракторів і можуть не тільки вказувати на несправність, а й повідомляти водієві про виниклі несправності в системах гальм, змащування та охолодження, про відчинені двері, затиснуте ручне гальмо тощо. Набули популярності серед водіїв радіоприймачі, магнітофони, кондиціонери, телефони.

Сільськогосподарські машини обладнані додатковими функціями які слідкують за внесенням добрив, засміченістю полів. Якістю та нормами висіву тощо.

Автомобіль чи трактор, який не має електронної системи запалювання, надійних джерел енергопостачання, точних контрольно-вимірювальних приладів, пристроїв, що запобігають забрудненню навколишнього середовища та зменшують до мінімуму витрату пального, не може бути конкурентоспроможним за ринкових умов України, а тим паче на світовому ринку.

Останні роки, коли Україна стала незалежною демократичною країною, автомобільний та тракторний парк став складатися не тільки з автомобілів та тракторів, що випускаються в Україні, а й з автомобілів та тракторів, що випускаються в інших розвинутих країнах світу (Німеччина, США, Японія, Італія, Франція і т.д.). Описати будову, конструкцію, потужність та розміри апаратів електрообладнання такої гами автобусів, вантажних, легкових автомобілів та тракторів в одній книзі практично неможливо. Тому використовують підручники, інструкції де перевагу віддано опису принципів дії та структурним схемам апаратів електрообладнання. Адже принцип дії та принципова конструктивна будова апаратів електрообладнання однакові в усьому світі і не залежать від країни виготовлення. Для кращого розуміння принципів дії генераторів, акумуляторів, стартерів тощо приводяться приклади конструкцій того чи іншого апарату системи електрообладнання.

Електрообладнання всього автомобіля чи трактора доцільно представити у вигляді ряду самостійних функціональних систем: енерго-постачання, пуску, запалювання, живлення, освітлення, сигналізації, інформації та діагностики, системи автоматичного керування двигуном та трансмісією, а також додаткового обладнання.

Велика насиченість автомобіля, трактора та сільськогосподарських машин електронними пристроями змінила й вимоги до його технічної експлуатації.

Технічне обслуговування, ремонт та діагностування сучасного автомобіля чи трактора та сільськогосподарської машини може виконувати лише висококваліфікований технічний персонал, який досконало знає його будову та правила експлуатації та електротехніку.

СІЛЬСЬКОГОСПОДАРСЬКИЙ ПРОФІЛЬ

Сторінки

Елт 24 25-26

Немає коментарів:

Дописати коментар