Министерство образования Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
Череповецкий Государственный Университет
Кафедра Электропривода и электротехники
Курсовая работа
по дисциплине «Электротехника и электроника»
Выполнил студент
группы 5 ЭН – 22
Малинин М.С.
Проверил доцент
Кудрявцева А.К.
г. Череповец
2007 г

СОДЕРЖАНИЕ
  ВВЕДЕНИЕ. 3
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ. 6
ЗАДАЧА 1. 6
Метод контурных токов. 7
Метод узловых потенциалов. 9
ЗАДАЧА 2. 11
ЗАДАЧА 3. 13
ЗАДАЧА 4. 15
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.. 17

ВВЕДЕНИЕ

Полупроводниковый диод, двухэлектродный электронный прибор на основе полупроводникового (ПП) кристалла. Понятие «Полупроводниковый диод» объединяет различные приборы с разными принципами действия, имеющие разнообразное назначение.
В полупроводниковых диодах используется свойство p-n перехода, а также других электрических переходов, а также других электрических переходов хорошо проводить электрический ток в одном направлении и плохо – в противоположном. Эти токи и соответствующие им напряжения между выводами диода называются прямым и обратным токами, прямым и обратным напряжениями.
По способу изготовления различают сплавные диоды, диоды с диффузионной базой и точечные диоды. В диодах двух первых типов переход получается методами сплавления пластин p- и n-типов или диффузии в исходную полупроводниковую пластину примесных атомов. При этом p-n-переход создается на значительной площади (до 1000 мм2). В точечных диодах площадь перехода меньше 0,1 мм2. они применяются главным образом в аппаратуре сверхвысоких частот при значении прямого тока 10 – 20 мА.
По функциональному назначению полупроводниковые диоды делятся на выпрямительные, импульсные, стабилитроны, фотодиоды, светоизлучающие диоды и т.д.
Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока и выполняются по сплавной или диффузионной технологии. Прямой ток диода направлен от анодного А к катодному К выводу. Нагрузочную способность выпрямительного диода определяют: допустимый прямой ток Iпр и соответствующее ему прямое напряжение Uпр, допустимое обратное напряжение Uобр и соответствующий ему обратный ток Iобр, допустимая мощность рассеяния Pрас и допустимая температура окружающей среды (до 50 0С для германиевых и до 140 0С для кремниевых диодов).
Вследствие большой площади p-n-перехода допустимая мощность рассеяния выпрямительных диодов малой мощности с естественным охлаждением достигает 1 Вт при значениях прямого тока до 1 А. Такие диоды часто применяются в цепях автоматики и в приборостроении. У выпрямительных диодов большой мощности с радиаторами и искусственным охлаждением (воздушным или водяным) допустимая мощность рассеяния достигает 10 кВт при значениях допустимых прямого тока до 1000 А и обратного напряжения до 1500 В.
Импульсные диоды предназначены для работы в цепях формирования импульсов напряжения и тока.
Стабилитроны, называемые также опорными диодами, предназначены для стабилизации напряжения. В этих диодах используется явление неразрушающего электрического пробоя (лавинного пробоя) p-n-перехода при определенных значениях обратного напряжения Uобр = Uпроб.
Следует отметить основные причины отличия характеристик реальных диодов от идеализированных. Обратимся к прямой ветви вольт-амперной характеристики диода (u > 0, ί > 0). Она отличается от идеализированной из-за того, что в реальном случае на нее влияют:
·                 сопротивления слоев полупроводника (особенно базы);
·                 сопротивления контактов металл-полупроводник.
Важно, что сопротивление базы может существенно зависеть от уровня инжекции (уровень инжекции показывает, как соотносится концентрация инжектированных неосновных носителей в базе на границе перехода с концентрацией основных носителей в базе). Влияние указанных сопротивлений приводит к тому, что напряжение на реальном диоде при заданном токе несколько больше (обычно на доли вольта).
Обратимся к обратной ветви (u < 0, ί < 0). Основные причины того, что реально обратный ток обычно на несколько порядков больше теплового тока ίs, следующие:
·              термогенерация носителей непосредственно в области p-n-перехода;
·              поверхностные утечки.
Термогенерация в области p-n-перехода оказывает существенное влияние на ток потому, что область перехода обеднена подвижными носителями заряда, и процесс рекомбинации (обратный процессу генерации и в определенном смысле уравновешивающий его) здесь замедлен.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

ЗАДАЧА 1 Линейные электрические цепи постоянного тока

Для электрической схемы выполнить следующее:
·                   Упростить схему, заменив последовательно и параллельно соединенные резисторы четвертой и шестой ветвей эквивалентными, а источники тока преобразовать в источники напряжения. Дальнейший расчет вести для упрощенной схемы.
·                   Указать на схеме положительное направление токов в ветвях и обозначить эти токи.
·                   Определить токи во всех ветвях схемы методом контурных токов.
·                   Определить токи во всех ветвях схемы методом узловых потенциалов.

Метод контурных токов

Дано:
 

R1 = 19,5 Ом           E1 = 25,8 В
R2 = 60 Ом              E2 = 37,5 В
R3 = 90 Ом              E3 = 0 В
R4.1 = 150 Ом          I1 = 0,04 А
R4.2 = 600 Ом          I2 = 0 А
R5 = 165 Ом            I3 = 0 А
R6.1 = 40 Ом            R6.2 = 27,5 Ом
Решение:
1.                Находим в схеме элементы, соединенные параллельно или последовательно, и заменяем их эквивалентными
R4 = R4.1· R4.2 / (R4.1 +  R4.2 ) = 150 · 600 / (150 + 600) = 120 Ом
R6 = R6.1 + R6.2 = 40 + 27,5 = 67,5 Ом
2.                Определяем ЭДС
E1’ = I1 · R1 = 0,04 · 19,5 = 0,78 В
E2’ = I2 · R2 = 0 · 60 = 0 В
E1* = E1 – E1’ = 25,8 – 0,78 = 25,02 В
E2* = E2’ – E2 = 37,5 – 0 = 37,5 В
3.                Составляем систему уравнений
 I1.1 · (R1 + R5 + R6) – I2.2 · R5 – I3.3 · R6 = E1
I1.1 · R5 + I2.2 · (R2 + R3 + R5) – I3.3 · R3 = – E2
6  – I2.2 · R3 + I3.3 · (R3 + R4 + R6) = 0
 Переписываем систему уравнений с числовыми коэффициентами
I1.1 · (19,5 + 165 + 67,5) – I2.2 · 165 – I3.3 · 67,5 = 25,02
– I1.1 · 165 + I2.2 · (60 + 90 + 165) – I3.3 · 90 = 37,5
I1.1 · 67,5  – I2.2 · 90 + I3.3 · (90 + 120 + 67,5) = 0
252 I1.1 – 165 I2.2  – 67,5 I3.3 = 25,02
– 165 I1.1 + 315 I2.2 – 90 I3.3 = 37,5
– 67,5 I1.1  – 90 I2.2 + 277,5 I3.3 = 0
4.                Считаем определители системы
            252   – 165  – 67,5
Δ =    – 165        315  – 90     = 22 027 950 – 1 002 375 – 1 002 375 –
           – 67,5   – 90   277,5             
– 1 435 218,75 – 2 041 200 – 7 554 937,5 = 8 991 843,75
         25,02      – 165    – 67,5
Δ1 =   37,5        315      – 90     =  2 187 060,75 + 2 278 812,5 +
                 0       – 90      277,5
+ 797 343,75 – 202 662 + 1 717 031,25 = 4 726 586,25
                252     25,02  – 67,5
Δ2 =    – 165      37,5      – 90      =  2 622 375 + 151 996,5 –
                – 67,5     0       277,5
–                    170 859,375 + 1 145 603,25 = 3 749 115,375
                252     – 165     25,02
Δ3 =    – 165        315      37,5     =  371 547 + 417 656,25 + 531 987,75 +
              – 67,5     – 90         0  
+ 850 500 = 2 171 691
5.                Определяем контурные токи
I1.1 = Δ1 / Δ = 0,526        
I2.2 = Δ2 / Δ = 0,417
I3.3 = Δ3 / Δ = 0,242
6.                Используя II закон Кирхгофа, определяем токи в цепях
ί1 = I1.1 = 0,526 А                        ί4 = I3.3 = 0,242 А
ί2 = I2.2 = 0,417 А                        ί5 = I2.2 – I1.1 = – 0,109 А
ί3 = I2.2 – I3.3 = 0,175 А                ί6 = I1.1 – I3.3 = 0,284 А
7.                Проверка
ί5 + ί1 – ί2 = – 0,109 + 0,526 – 0,417 = 0
ί3 – ί6 – ί5 = 0,175 – 0,284 + 0,109 = 0
ί6 + ί4 – ί1 = 0,284 + 0,242 – 0,526 = 0
ί2 – ί3 – ί4 = 0,417 – 0,175 – 0,242 = 0

Метод узловых потенциалов

Дано:
 

R1 = 19,5 Ом           E1 = 25,8 В
R2 = 60 Ом              E2 = 37,5 В
R3 = 90 Ом              E3 = 0 В
R4.1 = 150 Ом          I1 = 0,04 А
R4.2 = 600 Ом          I2 = 0 А
R5 = 165 Ом            I3 = 0 А
R6.1 = 40 Ом            R6.2 = 27,5 Ом
Решение:
1.                Определяем собственную проводимость узла, которая равна сумме проводимостей, сходящихся в узле
                  g1 = 1 / R1 = 0,05                   g4 = 1 / R4 = 0,01
                  g2 = 1 / R2 = 0,02                   g5 = 1 / R5 = 0,01
                  g3 = 1 / R3 = 0,01                   g6 = 1 / R6 = 0,01
2.                Определяем взаимную проводимость в узле, которая равна проводимости ветви, соединяющей два узла
g1.1 = g4 + g2 + g3 = 0,04            g1.2 = g2.1 = g3 = 0,01
g2.2 = g3 + g5 + g6 = 0,03            g2.3 = g3.2 = g5 = 0,01
g3.3 = g1 + g2 + g5 = 0,08            g1.3 = g3.1 = g2 = 0,02
3.                Определяем сумму токов от источников, которые находятся в ветвях, сходящихся в данном узле
I1.1 = – E2 / R2 = – 37,5 / 60 = – 0,625
I2.2 = 0
I3.3 = E1 / R1 + E2 / R2 = 25,02 / 19,5 + 37,5 / 60 = 1,905
4.                Записываем в общем виде систему уравнений
u1 · g1.1 – u2 · g1.2 – u3 · g1.3 =  I1.1
– u1 · g2.1 + u2 · g2.2 – u3 · g2.3 =  I2.2
– u1 · g3.1 – u2 · g3.2 + u3 · g3.3 =  I3.3
5.                Переписываем систему уравнений с числовыми коэффициентами
0,04 u1 – 0,01 u2 – 0,02 u3 = – 0,63
– 0,01 u1 + 0,03 u2 – 0,01 u3 = 0
– 0,02 u1 – 0,01 u2 + 0,08 u3 = 1,91
6.                Считаем определители системы
0,04        – 0,01     – 0,02
Δ =    – 0,01        0,03      – 0,01     = 0,000096 – 0,000002 – 0,000002 – 
   – 0,02      – 0,01        0,08  
– 0,000012 – 0,000004 – 0,000008 = 0,000068
   – 0,63     – 0,01     – 0,02
     Δ1 =      0       0,03     – 0,01      = – 0,001512 + 0,000191 + 0,001146 +
     1,91       – 0,01        0,08
+ 0,000063 = – 0,000112
               0,04    – 0,63   – 0,02
Δ2 =       – 0,01         0         – 0,01     = – 0,000126 + 0,000382 + 0,000764 –
              – 0,02     1,91       0,08
– 0,000504 = 0,000516
                0,04      – 0,01  – 0,63
Δ3 =          0,01      0,03         0        = 0,002292 – 0,000063 – 0,000378 –
               – 0,02   – 0,01    1,91
– 0,000191 = 0,00166
7.                Определяем узловые напряжения
U1.1 = Δ1 / Δ = – 1,647 В
U2.2 = Δ2 / Δ = 7,588 В
U3.3 = Δ3 / Δ = 24,412 В
8.                Используя II закон Кирхгофа, определяем токи в ветвях
ί1 = (E1 – U3) / R1 = (25,02 – 24,412) / 19,5 = 0,03 А
ί2 = (– E2 – U1 + U3) / R2 = (– 37,5 + 1,647 + 24,412) / 60 = – 0,19 А
ί3 = (U1 – U2) / R3 = (– 1,647 – 7,588) / 90 = – 0,1 А
ί4 = U1 / R4 = – 1,647 / 120 = – 0,01 А
ί5 = (– U3 + U2) / R5 = (– 24,412 + 7,588) / 165 = – 0,1 А
ί6 = U2 / R6 = 7,588 / 67,5 = 0,11 А
9.                Проверка
ί5 + ί1 – ί2 = – 0,1 + 0,03 + 0,191 = 0,12
ί3 – ί6 – ί5 = – 0,1 – 0,11 + 0,11 = – 0,11
ί6 + ί4 – ί1 = 0,11 – 0,01 – 0,03 = 0,07
ί2 – ί3 – ί4 = – 0,19 + 0,1 + 0,01 = – 0,08

 

ЗАДАЧА 2 Линейные электрические цепи синусоидального тока

В сеть переменного тока с действующим значением напряжения U включена цепь, состоящая из двух параллельных ветвей. Определить показания приборов, реактивную мощность цепи, коэффициент мощности и построить векторную диаграмму напряжений. Указать на схеме положительное направление токов в ветвях и обозначить эти токи.

Дано:
R1 = 8 Ом           
R2 = 2 Ом    
U = 127 В
јx c = 17 Ом      
Решение:
1.                Примем начальную фазу напряжения равной нулю
Щ = 127 е ј0 В
2.                Определяем комплексное сопротивление
z 1 = R1 = 8 Ом
z 2 = R2 – јx c = √2 2 + 17 2  · е – ј arctg 17/4 = 17,1 е – 77
3.                По закону Ома определяем комплексные точки
İ 1 = Щ / z 1 = 127 е ј0 / 8 = 15,9 е ј0 А
İ 2 = Щ / z 2 = 127 е ј0 / 17,1 е – 77 = 7,4 е ј 77 =
= 7,4 · cos 77 + ј 7,4 · sin 77 = 1,7 + ј 7,2
4.                Определяем полный комплексный ток
İ = İ 1 + İ 2 = 15,9 е ј0 + 7,4 е ј 77 = 15,9 cos 0 + ј 15,9 sin 0 +
+ 7,4 cos 77 + ј 7,4 sin 77 = 17,5 + ј 7,2 =
= √17,5 2 + 7,2 2 · е  ј arctg 7,23/17,544 = 18,9 · е  ј 22
                                                      А         18,9 А
      А1      15,9 А
                                                      А2         7,4 А
5.                Определяем полную мощность
S = İ · Щ = 18,9 е  ј 22 · 127 е ј0 = 2410,5 е  ј 22 =
= 2410,5 cos 22 + ј 2410,5 sin 22 = 2234,9 + ј 902,9
İ = 18,9 · е  ј 22                   S = 2410,5 ВА
P = 2234,9 Вт                     Q = 902,9 ВАР
6.                Определяем коэффициент мощности
cos φ = P / S = 0,93

ЗАДАЧА 3 Линейные электрические цепи синусоидального тока

В цепь переменного тока с мгновенным значением напряжения
 U = U m sin ωt промышленной частоты f = 50 Гц включены резистор и конденсатор. Определить показания приборов, реактивную и полную мощность цепи. Построить треугольник напряжений и векторную диаграмму напряжений.
   
Дано:
R = 2 Ом
Um = 282 В
x c = 17 Ом     
Решение:
1.                Определяем напряжение на зажимах цепи
U = Um / √2 = 282 / 1,41 = 200 В
2.                Определяем накопленное емкостное сопротивление
– јx c = – ј 17 = 17 е – ј 90
3.                Определяем полное комплексное сопротивление цепи z
Z = R – јx c = 2 – ј 17 = √2 2 + 17 2  · е – ј arctg 17/2 =  17,1 е – ј 83
4.                Начальную фазу напряжения примем равной нулю
Щ = 200 е ј0 В
5.                Определяем комплексный ток по закону Ома
İ = Щ / Z  = 200 е ј0 / 17,1 е – ј 83 = 11,7 е  ј 83
тогда показания амперметра IА = 11,7 А
6.                Определяем комплексное напряжение на R
ЩR = I R = 11,7 е  ј 83 · 2 = 23,4 е  ј 83 =
= 23,4 cos 83 + ј 23,4 sin 83= 2,9 + ј23,2
7.                Определяем напряжение на емкости
Щc = İ (– ј x c) = 11,7 е  ј 83 · 17 е – ј 90 = 198,6 е – ј 7 =
= 198,6 cos 7 – ј 198,6 sin 7 = 197,1 – ј 24,2
тогда показания вольтметра Uc = 198,6 В
8.                Определяем полную комплексную мощность цепи
Ŝ = I* · Щ = 11,7 е  -ј 83 · 200 е ј0 = 2336 е -ј 83 =
= 2336 cos 83 – ј 2336 sin 83 = 284,7 – ј 2318,6
S = 2336 ВА
P = 284,7Вт                     Q = 2318,6 ВАР
9.                Определяем показатель фазометра
φ = φu – φί = 0 – 83 = – 83
тогда показания фазометра cos φ = cos (– 83) = 0,12

 

ЗАДАЧА 4 Трехфазные электрические цепи синусоидального тока

В трехфазную сеть с линейным напряжением Uл (действующее значение напряжения) по схеме «треугольник/треугольник» включены активно-индуктивные приемники. Определить фазные и линейные токи в нагрузке, активную мощность всей цепи и каждой фазы отдельно.

Дано:
RАВ = 8 Ом            Uл = 127 В              XСА = 3 Ом        RСА = 2 Ом            
RВС = 3 Ом             XАВ = 6 Ом            XВC = 17 Ом
Решение:
1.                Т. к. рассматриваем соединение «треугольник/треугольник», то
Uп = Uдо
ЩАВ = 127 е ј 0
ЩВС = 127 е – ј 120
ЩСА = 127 е  ј 120
2.                Определяем комплексное полное сопротивление фаз
zАВ = RАВ + ј xАВ = 8 + ј 6 = √82 + 62 · е  ј arctg 6/8 =  10 е  ј37
zВC = RВC + ј xВC = 3 + ј 17 = √32 + 172 · е  ј arctg 17/3 =  17,3 е  ј80
zCА = RСА + ј xСА = 2 + ј 3 = √22 + 32 · е  ј arctg 3/2 =  3,6 е  ј56
3.                Определяем комплексные фазные токи
Iф = Uф / zф
İАВ = 127 е ј 0 / 10 е  ј37 = 12,7 е  -ј37
İВС = 127 е -ј 120 / 17,3 е  ј80 = 7,3 е  -ј200
İСА = 127 е ј 120 / 3,6 е  ј56 = 35,3 е  ј64
4.                Определим сопряженные комплексные токи фаз:
İАВ* = 12,7 е  ј37
İВС* = 7,3 е  ј200
İСА* = 35,3 е -ј64
5.                Определяем комплексные полные мощности фаз
S = IФ* · UФ          
SАВ = 12,7 е  ј37 · 127 е ј 0 = 1612,9 е  ј37 = 1612,9 cos 37 + ј 1612,9 sin 37 = 1288,1 + ј 970,7
SВC = 7,3 е  ј200 · 127 е – ј 120 = 927,1 е  -ј80 =
= 927,1 cos 80 – ј 927,1 sin 80 = 161 – ј 913
SCА = 35,3 е  -ј64 · 127 е  ј 120 = 4483,1 е ј56 = 4483,1 cos 56 + ј 4483,1 sin 56 =
= 2506,9 + ј 3716,7
6.                Определяем активную мощность фаз
PАВ = 1288,1 Вт
PВC = 161 Вт
PCА = 2506,9 Вт
7.                Определяем активную мощность цепи
Pц = PАВ + PВC + PCА = 3956 Вт

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.                Касаткин А. С., М. В. Немцов «Электротехника»: М., Академия, 2005.
2.                Методические указания к выполнению контрольной работы по дисциплине «Общая электротехника и электроника» для студентов заочной формы обучения.
3.                Лачин В.И., Н.С. Савёлов «Электроника»: М., Феникс, 2002.
4.                Лекции по дисциплине «Общая электротехника и электроника».