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Vorlesungsunterlagen, Spickzettel
Allgemeine Elektronik und Elektrotechnik. Spickzettel: kurz das Wichtigste
Verzeichnis / Vorlesungsunterlagen, Spickzettel Inhaltsverzeichnis
1. GESCHICHTE DER ELEKTRONIK Der Grundstein für die Entstehung und Entwicklung der Elektronik wurde durch die Arbeit der Physiker im XNUMX. und XNUMX. Jahrhundert gelegt. Die weltweit ersten Studien zu elektrischen Entladungen in der Luft wurden im XNUMX. Jahrhundert durchgeführt. in Russland von Akademikern Lomonosov и Reichmann und unabhängig von ihnen amerikanische Wissenschaftler Franklin. Ein wichtiges Ereignis war die Entdeckung eines Lichtbogens durch Akademiker Petrov im Jahr 1802. Studien zum Durchgang von elektrischem Strom in verdünnten Gasen wurden im letzten Jahrhundert in England durchgeführt Gauner, Thomson, Townsend, Aston, in Deutschland Geisler, Gittorf, Plücker und andere 1873 Lodygin erfand das weltweit erste elektrische Vakuumgerät – die Glühlampe. Unabhängig von ihm wurde wenig später dieselbe Lampe von einem amerikanischen Erfinder geschaffen und verbessert Edison. Der Lichtbogen wurde zunächst zu Beleuchtungszwecken eingesetzt Jablotschkow 1876. 1887 deutscher Physiker Hertz entdeckte den photoelektrischen Effekt. Thermionische Emission wurde 1884 von Edison entdeckt. 1901 führte Richardson eine detaillierte Untersuchung der thermionischen Emission durch. Die erste Kaltkathoden-Kathodenstrahlröhre wurde 1897 gebaut. Braun (Deutschland). Der Einsatz elektronischer Geräte in der Funktechnik begann damit, dass 1904 der englische Wissenschaftler Fleming verwendeten eine Zwei-Elektroden-Lampe mit einer Glühkathode, um hochfrequente Schwingungen in einem Funkempfänger gleichzurichten. 1907 ein amerikanischer Ingenieur Lee de Wald ein Gitter in die Kontrolllampe einführte, also die erste Triode schuf. Im selben Jahr Professor am St. Petersburg Institute of Technology Roasing schlug vor, eine Kathodenstrahlröhre zum Empfangen von Fernsehbildern zu verwenden, und führte in den folgenden Jahren experimentelle Bestätigungen seiner Ideen durch. 1909-191 in Russland Kowalenkow schuf die ersten Trioden zur Verstärkung von Ferngesprächen. Von großer Bedeutung war die Erfindung der Heizkathode. Tschernyschew im Jahr 1921. 1926 verbesserte Hell in den USA Lampen mit einem Abschirmgitter, und 1930 schlug er eine Pentode vor, die zu einer der am weitesten verbreiteten Lampen wurde. 1930 Kubecki erfand Photomultiplier, an deren Design Vekshinskiy und Timofeev einen wesentlichen Beitrag leisteten. Der erste Vorschlag für spezielle Fernsehübertragungsröhren wurde 1930-1931 unabhängig gemacht. Konstantinov und Kataev. Ähnliche Röhren, Ikonoskope genannt, wurden in den USA gebaut Zworykin. Die Erfindung solcher Röhren eröffnete neue Möglichkeiten für die Entwicklung des Fernsehens. Etwas später im Jahr 1933. Shmakov и Timofeev schlugen neue, empfindlichere Senderöhren (Superikonoskope oder Superemitter) vor, die es ermöglichten, Fernsehübertragungen ohne starke künstliche Beleuchtung durchzuführen. Russischer Radiophysiker Rozhanovsky 1932 schlug er vor, neue Geräte mit Geschwindigkeitsmodulation des Elektronenflusses zu entwickeln. Nach seinen Vorstellungen bauten Arsen'eva und Heil 1939 die ersten derartigen Geräte zur Verstärkung und Erzeugung von Mikrowellenschwingungen, sogenannte transiente Klystrons. 1940 Kovalenko erfand ein einfacheres reflektierendes Klystron, das weit verbreitet ist, um Mikrowellenschwingungen zu erzeugen. Von großer Bedeutung für die Technik der Dezimeterwellen waren die Arbeiten Devyatkova, Daniltseva, Chochlowa и Gurewitsch, die 1938-1941. konstruierte Spezialtrioden mit Flachscheibenelektroden. Nach diesem Prinzip wurden Cermet-Lampen in Deutschland und Beacon-Lampen in den USA produziert. 2. HALBLEITERGERÄTE Im Vergleich zu Vakuumröhren haben Halbleiterbauelemente erhebliche Vorteile Vorteile: 1) geringes Gewicht und geringe Größe; 2) kein Energieverbrauch zum Heizen; 3) höhere Zuverlässigkeit im Betrieb und lange Lebensdauer (bis zu Zehntausenden von Stunden); 4) hohe mechanische Festigkeit (Beständigkeit gegen Schütteln, Stöße und andere Arten von mechanischer Überlastung); 5) verschiedene Geräte (Gleichrichter, Verstärker, Generatoren) mit Halbleitergeräten haben einen hohen Wirkungsgrad, da Energieverluste in den Geräten selbst unbedeutend sind; 6) Low-Power-Geräte mit Transistoren können bei sehr niedrigen Versorgungsspannungen betrieben werden; 7) Die Prinzipien des Designs und Betriebs von Halbleiterbauelementen werden verwendet, um eine neue wichtige Richtung in der Entwicklung der Elektronik zu schaffen – die Halbleiter-Mikroelektronik. Gleichzeitig weisen Halbleitervorrichtungen derzeit Folgendes auf Nachteile: 1) Die Parameter und Eigenschaften einzelner Instanzen von Geräten dieses Typs haben eine erhebliche Streuung; 2) Eigenschaften und Parameter von Geräten hängen stark von der Temperatur ab; 3) es gibt eine Änderung der Eigenschaften von Geräten im Laufe der Zeit (Alterung); 4) ihr eigenes Rauschen ist in einigen Fällen größer als das von elektronischen Geräten; 5) die meisten Arten von Transistoren sind für den Betrieb bei Frequenzen über einigen zehn Megahertz ungeeignet; 6) der Eingangswiderstand der meisten Transistoren ist viel kleiner als der von Vakuumröhren; 7) Transistoren werden noch nicht für so hohe Leistungen wie Elektrovakuumgeräte hergestellt; 8) Der Betrieb der meisten Halbleiterbauelemente verschlechtert sich stark unter dem Einfluss radioaktiver Strahlung. Transistoren werden erfolgreich in Verstärkern, Empfängern, Sendern, Generatoren, Fernsehern, Messgeräten, Impulsschaltungen, elektronischen Rechenmaschinen usw. eingesetzt. Die Verwendung von Halbleiterbauelementen ermöglicht enorme Einsparungen beim Verbrauch elektrischer Energie aus Stromquellen und ermöglicht eine Reduzierung die Größe der Geräte um ein Vielfaches. Es wird geforscht, um Halbleiterbauelemente zu verbessern, indem neue Materialien für sie verwendet werden. Halbleitergleichrichter für Ströme von Tausenden von Ampere wurden geschaffen. Die Verwendung von Silizium anstelle von Germanium ermöglicht den Betrieb von Geräten bei Temperaturen bis zu 125 "C und darüber. Transistoren wurden für Frequenzen bis zu Hunderten von Megahertz und mehr sowie neuartige Halbleiterbauelemente für Mikrowellenfrequenzen entwickelt. Die Der Ersatz von Elektronenröhren durch Halbleitervorrichtungen wurde in vielen funktechnischen Geräten erfolgreich durchgeführt.Die Industrie produziert eine große Anzahl von Halbleiterdioden und Transistoren verschiedener Typen. 3. BEWEGUNG VON ELEKTRONEN IN EINEM HOMOGENEN ELEKTRISCHEN FELD Die Wechselwirkung von Elektronen mit einem elektrischen Feld ist der Hauptprozess in Elektrovakuum- und Halbleiterbauelementen. Ein Elektron ist ein Materieteilchen mit einer negativen elektrischen Ladung, deren Absolutwert e = 1,610-19C beträgt. Die Masse eines unbewegten Elektrons ist gleich m = 9,110-28g. Mit zunehmender Bewegungsgeschwindigkeit nimmt die Masse der Elektronen zu. Theoretisch müsste die Masse eines Elektrons bei einer Geschwindigkeit von c = 3·108 m/s unendlich groß werden. In herkömmlichen Elektrovakuumgeräten übersteigt die Geschwindigkeit von Elektronen 0,1 s nicht. Unter dieser Bedingung kann die Masse des Elektrons als konstant angesehen werden, gleich m. Wenn die Potentialdifferenz zwischen den Elektroden U und der Abstand zwischen ihnen d beträgt, beträgt die Feldstärke: E \uXNUMXd U / d. Für ein gleichförmiges elektrisches Feld ist der Wert von E konstant. Ein entlang der Feldlinien gerichtetes Elektron mit kinetischer Energie W0 und Anfangsgeschwindigkeit v0 werde von einer Elektrode mit niedrigerem Potential, beispielsweise von einer Kathode, emittiert. Das Feld wirkt auf ein Elektron und beschleunigt seine Bewegung zu einer Elektrode mit höherem Potential, beispielsweise einer Anode. Das heißt, das Elektron wird von der Elektrode mit höherem Potential angezogen. In diesem Fall wird das Feld aufgerufen Beschleunigung. Im Beschleunigungsfeld erhöht sich die kinetische Energie des Elektrons aufgrund der Arbeit des Feldes zur Bewegung des Elektrons. Gemäß dem Energieerhaltungssatz ist die Zunahme der kinetischen Energie des Elektrons W-W0 gleich der Arbeit des Feldes, die durch das Produkt der bewegten Ladung e mit der Potentialdifferenz U: WW bestimmt wird! = mv2/2 - mv20/2 = eU. Wenn die Anfangsgeschwindigkeit des Elektrons Null ist, dann ist W0 = mv20/2 = 0 und W=mv2/2 = eU, d. h. die kinetische Energie des Elektrons ist gleich der Arbeit des Feldes. Die Geschwindigkeit eines Elektrons in einem Beschleunigungsfeld hängt von der durchlaufenen Potentialdifferenz ab. Die Richtung der Anfangsgeschwindigkeit des Elektrons v0 sei entgegengesetzt zur Kraft F, die aus dem Feld auf das Elektron wirkt, d. h. das Elektron fliegt mit einer bestimmten Anfangsgeschwindigkeit von der Elektrode mit höherem Potential weg. Da die Kraft F auf die Geschwindigkeit v0 gerichtet ist, wird das Elektron abgebremst und bewegt sich geradlinig, gleichmäßig langsamer. Das Feld wird in diesem Fall als Bremsen bezeichnet. Folglich beschleunigt dieses Feld für einige Elektronen und verlangsamt sich für andere, abhängig von der Richtung der Anfangsgeschwindigkeit des Elektrons. In einem Bremsfeld gibt ein Elektron Energie an das Feld ab. In der entgegengesetzten Richtung bewegt sich das Elektron ohne Anfangsgeschwindigkeit in einem Beschleunigungsfeld, das dem Elektron die Energie zurückgibt, die es bei der Zeitlupe verloren hat. Fliegt ein Elektron mit einer Anfangsgeschwindigkeit v0 quer zur Richtung der Feldlinien ein, so wirkt das Feld mit einer Kraft F auf das Elektron, die durch die Formel f = eE bestimmt und auf ein höheres Potential gerichtet ist. Ohne Kraft würde das R-Potential durch Trägheit eine gleichförmige Bewegung mit der Geschwindigkeit v0 machen. Und unter der Wirkung der Kraft F muss sich das Elektron mit gleichmäßiger Beschleunigung in Richtung senkrecht zu v0 bewegen. Die resultierende Bewegung des Elektrons erfolgt entlang einer Parabel, und das Elektron wird in Richtung der positiven Elektrode abgelenkt. Wenn das Elektron nicht auf diese Elektrode fällt und über das Feld hinausgeht, bewegt es sich durch Trägheit geradlinig und gleichmäßig weiter. Ein Elektron bewegt sich entlang einer bestimmten Parabel und trifft entweder auf eine der Elektroden oder verlässt das Feld. Das elektrische Feld ändert immer die kinetische Energie und Geschwindigkeit des Elektrons in die eine oder andere Richtung. Zwischen einem Elektron und einem elektrischen Feld findet also immer eine Energiewechselwirkung statt, also ein Energieaustausch. Wenn die Anfangsgeschwindigkeit des Elektrons nicht entlang der Kraftlinien gerichtet ist, sondern in einem gewissen Winkel zu ihnen, dann krümmt das elektrische Feld auch die Flugbahn des Elektrons. 4. ELEKTRONENBEWEGUNG IN EINEM INHOMOGENEN ELEKTRISCHEN FELD für inhomogene elektrische Felder durch eine vielfältige und oft komplexe Struktur gekennzeichnet. Es gibt viele inhomogene Felder, die einander nicht ähnlich sind, in denen die Intensität von Punkt zu Punkt nach verschiedenen Gesetzen variiert und die Kraftlinien normalerweise Kurven der einen oder anderen Form sind. Das einfachste ist das radikale inhomogene Feld, das häufig in Elektrovakuumgeräten angetroffen wird, das zwischen zylindrischen Elektroden gebildet wird. Wenn die Anfangsgeschwindigkeit eines von der Oberfläche der inneren Elektrode emittierten Elektrons entlang der Kraftlinien gerichtet ist, bewegt sich das Elektron in einer geraden Linie und wird entlang des Radius beschleunigt. Mit zunehmender Entfernung von der inneren Elektrode werden jedoch die Feldstärke und die auf das Elektron wirkende Kraft kleiner, wodurch auch die Beschleunigung abnimmt. In einem allgemeineren Fall hat ein inhomogenes Feld Kraftlinien in Form von gekrümmten Linien. Beschleunigt dieses Feld, so bewegt sich das Elektron mit der Anfangsgeschwindigkeit v0 auf einer krummlinigen Bahn, die die gleiche Krümmung wie die Kraftlinien hat. Die Kraft F wirkt auf das Elektron von der Seite des Feldes, die in einem Winkel zum eigenen Geschwindigkeitsvektor des Elektrons gerichtet ist. Diese Kraft krümmt die Flugbahn des Elektrons und erhöht seine Geschwindigkeit. In diesem Fall fällt die Elektronenbahn nicht mit der Feldlinie zusammen. Wenn das Elektron keine Masse und damit keine Trägheit hätte, würde es sich entlang der Kraftlinie bewegen. Das Elektron hat jedoch Masse und neigt dazu, sich durch Trägheit in einer geraden Linie mit der während der vorherigen Bewegung erworbenen Geschwindigkeit zu bewegen. Die auf das Elektron wirkende Kraft ist tangential zur Feldlinie gerichtet und bildet bei gekrümmten Feldlinien einen Winkel mit dem Elektronengeschwindigkeitsvektor. Daher ist die Flugbahn des Elektrons gekrümmt, "hinkt" jedoch in dieser Krümmung der Kraftlinie aufgrund der Trägheit des Elektrons hinterher. Bei einem abbremsenden inhomogenen Feld mit gekrümmten Feldlinien krümmt die vom Feld auf das Elektron wirkende Kraft auch die Elektronenbahn und ändert ihre Geschwindigkeit. Aber die Krümmung der Bahn wird in der Richtung erhalten, die derjenigen entgegengesetzt ist, in die die Kraftlinien gebogen sind, d. h. die Bahn des Elektrons neigt dazu, sich von der Kraftlinie weg zu bewegen. In diesem Fall nimmt die Geschwindigkeit des Elektrons ab, wenn es Punkte mit negativerem Potential passiert. Betrachten wir die Bewegung eines Elektronenflusses in einem inhomogenen Feld, wobei wir der Einfachheit halber die Wechselwirkung der Elektronen vernachlässigen. Lassen Sie den Elektronenfluss sich in einem beschleunigenden inhomogenen Feld bewegen, das symmetrisch zur mittleren Kraftlinie ist. In diesem Fall konvergieren die Kraftlinien in Richtung der Elektronenbewegung, d.h. die Feldstärke nimmt zu. Nennen wir ein solches Feld konvergierend. Lassen Sie einen Strom von Elektronen in dieses Feld fliegen, dessen Geschwindigkeiten parallel gerichtet sind. Die Bahnen der Elektronen werden in die gleiche Richtung gebogen wie die Kraftlinien. Und nur das durchschnittliche Elektron bewegt sich geradlinig entlang der durchschnittlichen Kraftlinie. Dadurch nähern sich die Elektronen einander an, d. h. es entsteht eine Fokussierung des Elektronenflusses, die an die Fokussierung des Lichtstroms mit Hilfe einer Sammellinse erinnert. Außerdem erhöht sich die Geschwindigkeit der Elektronen. Wenn die Kraftlinien in Richtung der Elektronenbewegung divergieren, kann das Feld konventionell aufgerufen werden abweichend. Darin wird der Elektronenfluss gestreut, da sich die Bahnen der Elektronen bei der Krümmung voneinander entfernen. Daher ist das beschleunigende divergente Feld eine divergierende Linse für den Elektronenstrahl. Wenn das Feld verlangsamt und konvergiert, erfolgt keine Fokussierung, sondern eine Streuung der Elektronen mit abnehmender Geschwindigkeit. Und umgekehrt wird in einem verlangsamten divergenten Feld die Fokussierung des Elektronenstrahls erreicht. 5. BEWEGUNG VON ELEKTRONEN IN EINEM EINHEITLICHEN MAGNETFELD Einige Elektrovakuumgeräte nutzen die Bewegung von Elektronen in einem Magnetfeld. Betrachten wir den Fall, dass ein Elektron mit einer senkrecht zu den Magnetfeldlinien gerichteten Anfangsgeschwindigkeit v0 in ein homogenes Magnetfeld einfliegt. Auf das sich bewegende Elektron wirkt dabei die sogenannte Lorentzkraft F, die senkrecht auf dem Vektor h0 und dem Vektor des Magnetfelds H steht. Die Größe der Kraft F wird bestimmt durch den Ausdruck: F = ev0H. Bei v0 = 0 ist die Kraft P gleich Null, d.h. das Magnetfeld wirkt nicht auf ein stehendes Elektron. Die Kraft F biegt die Elektronenbahn in einen Kreisbogen. Da die Kraft F senkrecht zur Geschwindigkeit h0 wirkt, verrichtet sie keine Arbeit. Die Energie eines Elektrons und seine Geschwindigkeit ändern sich nicht in der Größe. Es ändert sich nur die Geschwindigkeitsrichtung. Es ist bekannt, dass die Bewegung eines Körpers auf einem Kreis (Rotation) mit konstanter Geschwindigkeit durch die Wirkung einer Zentripetalkraft erreicht wird, die auf den Mittelpunkt gerichtet ist, was genau die Kraft F ist. Die Rotationsrichtung eines Elektrons in einem Magnetfeld gemäß der Linke-Hand-Regel wird zweckmäßigerweise durch die folgenden Regeln bestimmt. In Richtung der magnetischen Feldlinien gesehen, bewegt sich das Elektron im Uhrzeigersinn. Mit anderen Worten, die Rotation des Elektrons fällt mit der Rotationsbewegung der Schraube zusammen, die in Richtung der magnetischen Feldlinien geschraubt wird. Bestimmen wir den Radius r des Kreises, den das Elektron beschreibt. Dazu verwenden wir den aus der Mechanik bekannten Ausdruck für die Zentripetalkraft: F = mv20/r. Setzen wir es dem Wert der Kraft F = ev0H gleich: mv20/r = ev0H. Aus dieser Gleichung können Sie nun den Radius ermitteln: r= mv0/(eH). Je größer die Elektronengeschwindigkeit v0 ist, desto stärker neigt es dazu, sich durch Trägheit geradlinig zu bewegen, und der Krümmungsradius der Bahn wird größer. Andererseits steigt mit zunehmendem H die Kraft F, die Krümmung der Bahn nimmt zu und der Radius des Kreises ab. Die hergeleitete Formel gilt für die Bewegung von Teilchen beliebiger Masse und Ladung in einem Magnetfeld. Betrachten Sie die Abhängigkeit von r von m und e. Ein geladenes Teilchen mit einer größeren Masse m neigt dazu, durch Trägheit geradliniger zu fliegen, und die Krümmung der Flugbahn nimmt ab, d. h. wird größer. Und je größer die Ladung e, desto größer die Kraft F und desto stärker wird die Flugbahn gekrümmt, d.h. ihr Radius wird kleiner. Nachdem das Elektron das Magnetfeld passiert hat, fliegt es durch Trägheit in einer geraden Linie weiter. Ist der Radius der Bahn klein, kann das Elektron in einem Magnetfeld geschlossene Kreise beschreiben. Somit ändert das Magnetfeld nur die Richtung der Elektronengeschwindigkeit, aber nicht ihre Größe, d.h. es gibt keine Energiewechselwirkung zwischen dem Elektron und dem Magnetfeld. Im Vergleich zu einem elektrischen Feld ist die Wirkung eines Magnetfelds auf Elektronen begrenzter. Deshalb wird ein magnetisches Feld viel seltener zur Beeinflussung von Elektronen verwendet als ein elektrisches Feld. 6. ELEKTRONEN IN FESTEN STAATEN Die moderne Physik hat bewiesen, dass Elektronen in einem Körper keine willkürlichen Energien haben können. Die Energie jedes Elektrons kann nur bestimmte Werte annehmen, genannt Energieniveaus (oder Energielevel). Elektronen, die sich näher am Kern eines Atoms befinden, haben niedrigere Energien, das heißt, sie befinden sich auf niedrigeren Energieniveaus. Um ein Elektron aus dem Kern zu entfernen, ist es notwendig, die gegenseitige Anziehung zwischen dem Elektron und dem Kern zu überwinden. Dies erfordert etwas Energie. Daher haben kernferne Elektronen hohe Energien; Sie befinden sich auf einem höheren Energieniveau. Wenn sich ein Elektron von einem höheren Energieniveau auf ein niedrigeres bewegt, wird eine bestimmte Energiemenge freigesetzt, die als Quanten (oder Photonen) bezeichnet wird. Nimmt ein Atom ein Quantum Energie auf, bewegt sich das Elektron von einem niedrigeren Energieniveau auf ein höheres. Die Energie von Elektronen ändert sich also nur in Quanten, also in bestimmten Portionen. Die Verteilung der Elektronen nach Energieniveaus ist schematisch dargestellt: Die Energie W des Elektrons ist vertikal aufgetragen, und die Energieniveaus sind durch horizontale Linien dargestellt. Gemäß der sogenannten Festkörperzonentheorie werden Energieniveaus in getrennten Zonen zusammengefasst. Die Elektronen der äußeren Hülle des Atoms füllen eine Reihe von Energieniveaus, die das Valenzband bilden. Niedrigere Energieniveaus sind Teil anderer mit Elektronen gefüllter Bänder, aber diese Bänder spielen keine Rolle bei den Phänomenen der elektrischen Leitfähigkeit und sind daher in der Figur nicht gezeigt. In Metallen und Halbleitern befindet sich eine große Anzahl von Elektronen I höhere Energieniveaus. Diese Ebenen bilden das Leitungsband. Die Elektronen dieser Zone, die als Leitungselektronen bezeichnet werden, bewegen sich zufällig innerhalb des Körpers und bewegen sich von einem Atom zum anderen. Es sind die Leitungselektronen, die für die hohe elektrische Leitfähigkeit von Metallen sorgen. Atome einer Substanz, die Elektronen an das Leitungsband abgegeben haben, können als positive Ionen betrachtet werden. Sie sind in einer bestimmten Reihenfolge angeordnet und bilden ein räumliches Gitter, das auch als ionisch oder kristallin bezeichnet wird. Der Zustand dieses Gitters entspricht dem Gleichgewicht der Wechselwirkungskräfte zwischen Atomen und dem Mindestwert der Gesamtenergie aller Teilchen des Körpers. Innerhalb des räumlichen Gitters tritt eine zufällige Bewegung von Leitungselektronen auf. Für Dielektrika ist eine andere Energiestruktur charakteristisch. Sie haben eine Bandlücke zwischen dem Leitungsband und dem Valenzband, die Energieniveaus entspricht, auf denen Elektronen nicht sein können. Bei normaler Temperatur haben Dielektrika nur eine sehr kleine Anzahl von Elektronen im Leitungsband, und daher hat das Dielektrikum eine vernachlässigbare Leitfähigkeit. Aber beim Erhitzen gelangen einige Elektronen des Valenzbandes, die zusätzliche Energie erhalten, in das Leitungsband, und dann erhält das Dielektrikum eine merkliche elektrische Leitfähigkeit. Halbleiter sind bei niedrigen Temperaturen Isolatoren, und bei normalen Temperaturen gelangt eine beträchtliche Anzahl von Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband. Zur Herstellung von Halbleiterbauelementen werden derzeit vor allem Germanium und Silizium verwendet, die eine Wertigkeit von 4 haben.Das räumliche Kristallgitter von Germanium oder Silizium besteht aus Atomen, die durch Valenzelektronen aneinander gebunden sind. Eine solche Bindung wird kovalent oder Paarelektron genannt. 7. EIGENES ELEKTRON UND ELEKTRISCHE LEITFÄHIGKEIT DES LOCHS Halbleiter sind Stoffe, die hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit eine Mittelstellung zwischen Leitern und Dielektrika einnehmen. für Halbleiter gekennzeichnet durch einen negativen Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstands. Mit steigender Temperatur nimmt der Widerstand von Halbleitern eher ab als wie bei den meisten Massivleitern zu. Darüber hinaus hängt der elektrische Widerstand von Halbleitern sehr stark von der Menge an Verunreinigungen sowie von äußeren Einflüssen wie Licht, elektrischem Feld, ionisierender Strahlung usw. ab. Es gibt zwei Arten von elektrischer Leitfähigkeit in Halbleitern. Wie Metalle haben Halbleiter eine elektronische elektrische Leitfähigkeit, die auf die Bewegung von Leitungselektronen zurückzuführen ist. Bei normalen Betriebstemperaturen enthalten Halbleiter immer Leitungselektronen, die sehr schwach an Atomkerne gebunden sind und zwischen den Atomen des Kristallgitters eine zufällige thermische Bewegung ausführen. Diese Elektronen können unter Einwirkung einer Potentialdifferenz eine zusätzliche Bewegung in eine bestimmte Richtung erhalten, die ein elektrischer Strom ist. Halbleiter haben auch eine elektrische Lochleitfähigkeit, die bei Metallen nicht beobachtet wird. In Halbleitern ist das Kristallgitter ziemlich stark. Seine Ionen, d. h. Atome ohne ein Elektron, bewegen sich nicht, sondern bleiben an ihrem Platz. Das Fehlen eines Elektrons in einem Atom wird üblicherweise als bezeichnet Loch. Dies unterstreicht, dass dem Atom ein Elektron fehlt, also ein freier Raum entstanden ist. Löcher verhalten sich wie positive Elementarladungen. Bei der Lochleitfähigkeit bewegen sich tatsächlich auch Elektronen, allerdings in eingeschränkterem Maße als bei der Elektronenleitfähigkeit. Elektronen bewegen sich von diesen Atomen nur zu benachbarten. Das Ergebnis ist die Bewegung positiver Ladungen – Löcher – in die entgegengesetzte Richtung zur Bewegung der Elektronen. Elektronen und Löcher, die sich bewegen können und daher elektrische Leitfähigkeit erzeugen, werden genannt mobile Ladungsträger Röhr "Ryo RїSЂRѕSЃS, Rѕ Ladungsträger. Es wird allgemein gesagt, dass unter dem Einfluss von Wärme Ladungsträgerpaare erzeugt werden, d. h. es entstehen Paare: Leitungselektron – Leitungsloch. Aufgrund der Tatsache, dass die Leitungselektronen und -löcher eine chaotische thermische Bewegung ausführen, tritt zwangsläufig der umgekehrte Prozess der Erzeugung von Ladungsträgerpaaren auf. Leitungselektronen besetzen wieder freie Plätze im Valenzband, d.h. sie verbinden sich mit Löchern. Dieses Verschwinden von Trägerpaaren wird als bezeichnet Rekombination von Ladungsträgern. Die Prozesse der Generierung und Rekombination von Trägerpaaren laufen immer gleichzeitig ab. Ein Halbleiter ohne Verunreinigungen wird als intrinsischer Halbleiter bezeichnet. Es hat eine eigene elektrische Leitfähigkeit, die sich aus elektronischer und lochelektrischer Leitfähigkeit zusammensetzt. In diesem Fall überwiegt trotz der Tatsache, dass die Anzahl der Leitungselektronen und -löcher im intrinsischen Halbleiter gleich ist, die elektronische elektrische Leitfähigkeit, was durch die größere Mobilität von Elektronen im Vergleich zur Mobilität von Löchern erklärt wird. 8. VERUNREINIGUNG ELEKTRISCHE LEITFÄHIGKEIT Enthält der Halbleiter Verunreinigungen anderer Stoffe, so tritt neben der intrinsischen elektrischen Leitfähigkeit auch eine elektrische Fremdleitfähigkeit auf, die je nach Art der Verunreinigung elektronisch oder lochartig sein kann. Zum Beispiel hat Germanium, das vierwertig ist, eine elektronische Fremdleitfähigkeit, wenn ihm fünfwertiges Antimon und Arsen zugesetzt werden. Ihre Atome interagieren mit Germaniumatomen mit nur vier ihrer Elektronen, und das fünfte Elektron wird an das Leitungsband abgegeben. Dadurch wird eine gewisse Menge an zusätzlichen Leitungselektronen erhalten. Verunreinigungen, in denen Atome Elektronen abgeben, werden genannt Spender. Donoratome geben Elektronen ab und werden positiv geladen. Halbleiter mit überwiegend elektronischer elektrischer Leitfähigkeit werden als elektronische Halbleiter oder n-Typ-Halbleiter bezeichnet. Substanzen, die Elektronen aufnehmen und Verunreinigungslöcher erzeugen, werden elektrische Leitfähigkeit genannt Akzeptoren. Akzeptoratome, die Elektronen einfangen, werden selbst negativ geladen. Halbleiter mit vorherrschender elektrischer Lochleitfähigkeit werden als Lochhalbleiter oder Halbleiter vom p-Typ bezeichnet. Halbleitervorrichtungen verwenden hauptsächlich Halbleiter, die Donor- oder Akzeptor-Verunreinigungen enthalten und als Verunreinigung bezeichnet werden. Bei normalen Betriebstemperaturen in solchen Halbleitern beteiligen sich alle Fremdatome an der Erzeugung der elektrischen Leitfähigkeit der Fremdatome, d. h. jedes Fremdatom gibt entweder ein Elektron ab oder fängt es ein. Damit die elektrische Leitfähigkeit der Verunreinigung die intrinsische überwiegt, muss die Konzentration der Donor- oder Akzeptor-Fremdatome die Konzentration der intrinsischen Ladungsträger übersteigen. Ladungsträger, deren Konzentration in einem bestimmten Halbleiter vorherrscht, werden als Hauptladungsträger bezeichnet. Sie sind Elektronen in einem Halbleiter vom n-Typ und Löcher in einem Halbleiter vom p-Typ. Die Minoritätsladungsträger werden genannt, deren Konzentration geringer ist als die Konzentration der Majoritätsträger. Die Konzentration von Minoritätsträgern in einem Verunreinigungshalbleiter nimmt so oft ab, wie die Konzentration von Majoritätsträgern zunimmt. Wenn Germanium eine bestimmte Anzahl von Elektronen enthält und nach Zugabe einer Donatorverunreinigung die Elektronenkonzentration um den Faktor 1000 zunimmt, nimmt die Konzentration der Minoritätsträger (Löcher) um den Faktor 1000 ab, d.h. es wird millionenfach geringer sein als die Konzentration großer Fluggesellschaften. Dies erklärt sich aus der Tatsache, dass sich bei einer 1000-fachen Erhöhung der Konzentration von Leitungselektronen aus Donoratomen herausstellt, dass die niedrigeren Energieniveaus des Leitungsbandes besetzt sind und der Übergang von Elektronen aus dem Valenzband nur möglich ist höhere Ebenen des Leitungsbandes. Aber für einen solchen Übergang müssen die Elektronen eine hohe Energie haben, und daher kann ihn eine viel kleinere Anzahl von Elektronen ausführen. Entsprechend nimmt die Zahl der Leitungslöcher im Valenzband deutlich ab. Somit verändert eine vernachlässigbar kleine Menge an Verunreinigung die Art der elektrischen Leitfähigkeit und die Größe der Leitfähigkeit des Halbleiters erheblich. Halbleiter mit einem so geringen und streng dosierten Anteil der gewünschten Verunreinigung zu erhalten, ist ein sehr komplexer Prozess. In diesem Fall muss der anfängliche Halbleiter, dem die Verunreinigung hinzugefügt wird, sehr rein sein. 9. DIFFUSION VON LADUNGSTRÄGERN IN HALBLEITERN Bei Halbleitern kann neben dem Leitungsstrom auch ein Diffusionsstrom auftreten, dessen Ursache nicht der Potentialunterschied, sondern der Unterschied in der Ladungsträgerkonzentration ist. Lassen Sie uns die Essenz dieses Stroms herausfinden. Ist die Ladungsträgerkonzentration gleichmäßig über den Halbleiter verteilt, so liegt Gleichgewicht vor. Unter dem Einfluss irgendwelcher äußerer Einflüsse in verschiedenen Teilen des Halbleiters kann die Konzentration ungleich werden, d. h. nicht im Gleichgewicht sein. Wenn beispielsweise ein Teil eines Halbleiters Strahlung ausgesetzt wird, wird der Prozess der Erzeugung von Trägerpaaren darin intensiviert und es tritt eine zusätzliche Konzentration von Trägern auf, genannt überflüssig. Da Ladungsträger eine eigene kinetische Energie haben, tendieren sie immer dazu, sich von Orten mit höherer Konzentration zu Orten mit niedrigerer Konzentration zu bewegen, d.h. B. zum Konzentrationsausgleich neigen. Das Phänomen der Diffusion wird bei vielen Materieteilchen beobachtet, nicht nur bei beweglichen Ladungsträgern. Die Diffusion wird immer durch die ungleichmäßige Konzentration von Partikeln verursacht, und die Diffusion selbst wird aufgrund der eigenen Energie der thermischen Bewegung der Partikel durchgeführt. Die diffuse Bewegung beweglicher Ladungsträger (Elektronen und Löcher) ist ein diffuser Strom /. Dieser Strom kann wie der Leitungsstrom ein Elektron oder ein Loch sein. Die Dichten dieser Ströme werden durch die folgenden Formeln bestimmt: i = eDn ?n /?x und ip=- eDp?p /?x, wobei die Werte ?n/?x und ?c/?x die so sind -Konzentrationsgradienten genannt, und Dn und Dp sind Diffusionskoeffizienten. Der Konzentrationsgradient charakterisiert, wie stark sich die Konzentration entlang der Strecke x ändert, also wie groß die Konzentrationsänderung n oder p pro Längeneinheit ist. Wenn es keinen Konzentrationsunterschied gibt, dann ist Δn = 0 oder Δp = 0 und es tritt kein Diffusionsstrom auf. Und je größer die Konzentrationsänderung &Dgr;n oder &Dgr;p bei einem gegebenen Abstand &Dgr;x ist, desto größer ist der Diffusionsstrom. Der Diffusionskoeffizient charakterisiert die Intensität des Diffusionsprozesses. Sie ist proportional zur Mobilität der Ladungsträger, für verschiedene Substanzen unterschiedlich und hängt von der Temperatur ab. Der Diffusionskoeffizient für Elektronen ist immer größer als für Löcher. Das Minuszeichen auf der rechten Seite der Formel für die Lochdiffusionsstromdichte wird gesetzt, weil der Lochstrom in Richtung abnehmender Lochkonzentration gerichtet ist. Wenn aufgrund eines äußeren Einflusses in einem Teil des Halbleiters eine übermäßige Ladungsträgerkonzentration erzeugt wird und dann der äußere Einfluss aufhört, werden die überschüssigen Ladungsträger rekombinieren und sich durch Diffusion zu anderen Teilen des Halbleiters ausbreiten. Der Wert, der den Prozess der Abnahme der Überschusskonzentration mit der Zeit charakterisiert, wird als Lebensdauer von Nichtgleichgewichtsträgern bezeichnet. Die Rekombination von Nichtgleichgewichtsladungsträgern findet im Volumen des Halbleiters und auf seiner Oberfläche statt und hängt stark von Verunreinigungen sowie vom Zustand der Oberfläche ab. Während der diffusen Ausbreitung von Nichtgleichgewichtsträgern, wie beispielsweise Elektronen, entlang eines Halbleiters nimmt ihre Konzentration aufgrund von Rekombination auch mit der Entfernung ab. 10. ELEKTRONEN-LOCH-VERBINDUNG BEI FEHLEN DER EXTERNEN SPANNUNG Der Bereich an der Grenze zweier Halbleiter mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit wird als bezeichnet Elektron-Loch, oder p-p-Übergang. Der Elektron-Loch-Übergang hat die Eigenschaft asymmetrischer Leitfähigkeit, d. h. er hat einen nichtlinearen Widerstand. Der Betrieb der meisten in der Funkelektronik verwendeten Halbleiterbauelemente basiert auf der Nutzung der Eigenschaften eines oder mehrerer pn-Übergänge. Betrachten wir die physikalischen Vorgänge bei einem solchen Übergang. An der Verbindungsstelle darf keine externe Spannung anliegen. Da Ladungsträger in jedem Halbleiter eine zufällige thermische Bewegung ausführen, d. h. sie haben ihre eigenen Geschwindigkeiten, tritt ihre Diffusion (Durchdringung) von einem Halbleiter zum anderen auf. Träger bewegen sich von dort, wo ihre Konzentration hoch ist, zu Orten, wo die Konzentration niedrig ist. Somit diffundieren Elektronen von einem Halbleiter vom n-Typ in einen Halbleiter vom p-Typ, und Löcher diffundieren in der entgegengesetzten Richtung von einem Halbleiter vom p-Typ in einen Halbleiter vom n-Typ. Durch Diffusion von Ladungsträgern entstehen auf beiden Seiten der Grenzfläche zwischen zwei Halbleitern unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit Raumladungen unterschiedlichen Vorzeichens. Im n-Gebiet entsteht eine positive Raumladung. Es wird hauptsächlich durch positiv geladene Donator-Fremdatome und in geringem Umfang durch Löcher gebildet, die in diesen Bereich eingedrungen sind. Ebenso entsteht im p-Gebiet eine negative Raumladung, gebildet durch negativ geladene Atome der Akzeptorverunreinigung und teilweise durch hier angekommene Elektronen. Zwischen den gebildeten Raumladungen besteht eine sogenannte Kontaktpotentialdifferenz und ein elektrisches Feld. Im p-n-Übergang entsteht eine Potentialbarriere, die den Diffusionsübergang von Ladungsträgern verhindert. Je höher die Konzentration an Verunreinigungen ist, desto höher ist die Konzentration der Hauptträger und desto größer ist ihre Menge, die durch die Grenze diffundiert. Die Raumladungsdichte nimmt zu und die Kontaktpotentialdifferenz nimmt zu, d. h. die Höhe der Potentialbarriere. In diesem Fall nimmt die Dicke des pn-Übergangs ab. Gleichzeitig mit der diffusen Bewegung der Majoritätsträger über die Grenze erfolgt die Rückwärtsbewegung der Träger unter der Wirkung des elektrischen Feldes der Kontaktpotentialdifferenz. Dieses Feld bewegt Löcher aus der p-Region zurück in die p-Region und Elektronen aus der p-Region zurück in die p-Region. Bei einer bestimmten Temperatur befindet sich der pn-Übergang in einem dynamischen Gleichgewichtszustand. Jede Sekunde diffundiert eine bestimmte Anzahl von Elektronen und Löchern in entgegengesetzte Richtungen durch die Grenzfläche, und unter der Einwirkung des Feldes driftet die gleiche Anzahl von ihnen in die entgegengesetzte Richtung. Die Bewegung von Trägern aufgrund von Diffusion ist ein Diffusionsstrom, und die Bewegung von Trägern unter Einwirkung eines Feldes ist ein Leitungsstrom. Im dynamischen Gleichgewicht des Übergangs sind diese Ströme gleich und in entgegengesetzter Richtung. Daher ist der Gesamtstrom durch den Übergang Null, was bei fehlender externer Spannung der Fall sein sollte. Jeder der Ströme hat eine Elektron- und eine Lochkomponente. Die Werte dieser Komponenten sind unterschiedlich, da sie von der Konzentration und Mobilität der Träger abhängen. Die Höhe der Potentialbarriere wird immer genau auf den Punkt eingestellt, an dem Gleichgewicht eintritt, d.h. Diffusionsstrom und Leitungsstrom kompensieren sich gegenseitig. 11. ELEKTRON-LOCH-ÜBERGANG UNTER DER WIRKUNG EINER VORWÄRTSSPANNUNG Eine externe Spannungsquelle sei mit ihrem Pluspol an einen p-Typ-Halbleiter und mit ihrem Minuspol an einen n-Typ-Halbleiter angeschlossen. Das im pn-Übergang durch Gleichspannung erzeugte elektrische Feld wirkt dem Feld der Kontaktpotentialdifferenz entgegen. Das resultierende Feld wird schwächer und die Potentialdifferenz im Übergang nimmt ab, d. h. die Höhe der Potentialbarriere nimmt ab, und der Diffusionsstrom nimmt zu. Schließlich kann eine niedrigere Barriere eine größere Anzahl von Trägern überwinden. Der Leitungsstrom ändert sich fast nicht, da er hauptsächlich nur von der Anzahl der Minoritätsträger abhängt, die aufgrund ihrer thermischen Geschwindigkeiten aus den Volumina der n- und p-Bereiche in den Bereich des p-n-Übergangs gelangen. Ohne äußere Spannung sind Diffusionsstrom und Leitungsstrom gleich groß und kompensieren sich gegenseitig. Bei Durchlassspannung idif > iprov und damit ist der Gesamtstrom durch die Verbindungsstelle, also Gleichstrom, nicht mehr gleich Null: ipr = idif - iprov > 0. Wenn die Barriere deutlich abgesenkt wird, dann ist idiff "iprov und wir können davon ausgehen, dass ipr ~ idif, d. H. Der Vorwärtsstrom im Übergang ist Diffusion. Das Phänomen der Einführung von Ladungsträgern durch eine abgesenkte Potentialbarriere in einen Bereich, in dem diese Ladungsträger gering sind, wird als bezeichnet Injektion von Ladungsträgern. Der Bereich eines Halbleiterbauelements, aus dem Ladungsträger injiziert werden, wird Emitterbereich oder Emitter genannt. Und die Region, in die Ladungsträger injiziert werden, die in dieser Region in der Minderheit sind, wird Basisregion oder Basis genannt. Wenn wir also die Injektion von Elektronen betrachten, dann ist die p-Region der Emitter und die p-Region die Basis. Bei der Lochinjektion hingegen dient der p-Bereich als Emitter und der p-Bereich als Basis. In Halbleiterbauelementen ist die Konzentration von Störstellen und damit der Majoritätsladungsträger in den n- und p-Bereichen normalerweise sehr unterschiedlich. Daher dominiert die Injektion aus dem Bereich mit einer höheren Konzentration der Hauptladungsträger stark. Dementsprechend gibt diese überwiegende Injektion den Namen Emitter und Basis. Wenn zum Beispiel pp "pp, dann ist die Injektion von Elektronen aus dem n-Bereich in den p-Bereich viel größer als die Injektion von Löchern in die entgegengesetzte Richtung. In diesem Fall wird der n-Bereich als Emitter betrachtet, und der p-Bereich wird als Basis betrachtet, da die Lochinjektion vernachlässigt werden kann. Bei einer Durchlassspannung sinkt nicht nur die Potentialbarriere, sondern auch die Dicke der Barriereschicht. Dies führt zu einer Abnahme des Widerstands der Sperrschicht. Sein Widerstand in Vorwärtsrichtung ist klein. Da die Höhe der Barriere in Abwesenheit einer externen Spannung mehrere Zehntel Volt beträgt, reicht es aus, um die Barriere erheblich zu senken und den Widerstand der Sperrschicht erheblich zu verringern, eine Durchlassspannung von nur Zehntel an den p-n-Übergang anzulegen von einem Volt. Daher kann mit einer sehr kleinen Durchlassspannung ein signifikanter Durchlassstrom erhalten werden. Offensichtlich ist es bei einer bestimmten Vorwärtsspannung möglich, die Potentialbarriere im pn-Übergang vollständig zu zerstören. Dann wird der Widerstand des Übergangs, d. h. der Sperrschicht, nahe Null und kann vernachlässigt werden. Der Durchlassstrom nimmt in diesem Fall zu und hängt vom Widerstand der Volumina der pi-p-Bereiche ab. Nun können diese Widerstände nicht vernachlässigt werden, da sie im Stromkreis verbleiben und die Größe des Stroms bestimmen. 12. ELEKTRON-LOCH-ÜBERGANG BEI RÜCKSPANNUNG Eine externe Spannungsquelle sei mit einem Pluspol an die Fläche n und mit einem Minuspol an die Fläche p angeschlossen. Unter dieser Sperrspannung fließt nur sehr wenig Rückstrom durch den Durchgang, was wie folgt erklärt wird. Das durch die Sperrspannung erzeugte Feld addiert sich zum Feld der Kontaktpotentialdifferenz. Das resultierende Feld wird verstärkt. Selbst bei einem leichten Anstieg der Barriere stoppt die Diffusionsbewegung der Mehrheitsträger durch den Übergang, da die Eigengeschwindigkeiten der Träger nicht ausreichen, um die Barriere zu überwinden. Und der Leitungsstrom bleibt nahezu unverändert, da er hauptsächlich durch die Anzahl der Minoritätsträger bestimmt wird, die aus den Volumina der n- und p-Regionen in die Region des pn-Übergangs gelangen. Die Entfernung von Minoritätsträgern durch einen pn-Übergang durch ein beschleunigendes elektrisches Feld, das durch eine externe Spannung erzeugt wird, wird als bezeichnet Extraktion von Ladungsträgern. Somit ist der Rückwärtsstrom praktisch ein Leitungsstrom, der durch die Bewegung von Minoritätsträgern gebildet wird. Der Sperrstrom fällt sehr klein aus, da wenig Minoritätsträger vorhanden sind und zudem der Widerstand der Sperrschicht bei Sperrspannung sehr hoch ist. Tatsächlich wird mit einer Erhöhung der Sperrspannung das Feld im Übergangsbereich stärker, und unter der Wirkung dieses Feldes werden mehr Majoritätsträger aus den Grenzschichten in das Innere der Pyrobereiche "gedrückt". Mit einer Erhöhung der Sperrspannung nimmt also nicht nur die Höhe der Potentialbarriere zu, sondern auch die Dicke der Barriereschicht. Diese Schicht wird noch mehr von Ladungsträgern verarmt und ihr Widerstand steigt deutlich an. Bereits bei relativ kleiner Sperrspannung erreicht der Sperrstrom einen nahezu konstanten Wert, den man als Sättigungsstrom bezeichnen kann. Dies liegt daran, dass die Anzahl der Minoritätsträger begrenzt ist. Mit steigender Temperatur nimmt ihre Konzentration zu und der Sperrstrom steigt und der Sperrwiderstand sinkt. Betrachten wir genauer, wie sich der Sperrstrom beim Einschalten der Sperrspannung einstellt. Erstens gibt es einen transienten Prozess, der mit der Bewegung der Hauptträger verbunden ist. Elektronen im p-Bereich bewegen sich zum positiven Pol der Quelle, d. h. sie bewegen sich vom p-p-Übergang weg. Und in der p-Region, die sich vom p-n-Übergang wegbewegt, bewegen sich Löcher. An der negativen Elektrode rekombinieren sie mit Elektronen, die aus dem Draht stammen, der diese Elektrode mit dem negativen Pol der Quelle verbindet. Da Elektronen den n-Bereich verlassen, wird er positiv geladen, da positiv geladene Atome der Donor-Störstelle darin verbleiben. In ähnlicher Weise wird der p-Bereich negativ geladen, seine Löcher werden mit ankommenden Elektronen gefüllt und negativ geladene Akzeptor-Fremdatome verbleiben darin. Die betrachtete Bewegung der Hauptträger in entgegengesetzte Richtungen dauert nur eine kurze Zeitspanne. Dieser transiente Strom ähnelt dem Ladestrom eines Kondensators. Auf beiden Seiten des pn-Übergangs entstehen zwei entgegengesetzte Raumladungen, und das gesamte System ähnelt einem geladenen Kondensator mit einem schlechten Dielektrikum, in dem ein Leckstrom vorhanden ist (seine Rolle spielt der Rückstrom). Der Leckstrom des Kondensators ist jedoch gemäß dem Ohmschen Gesetz proportional zur angelegten Spannung, und der Sperrstrom des p-n-Übergangs hängt relativ wenig von der Spannung ab. 13. VOLT-AMPERE-CHARAKTERISTIK EINER HALBLEITERDIODE Für jedes elektrische Gerät ist die Beziehung zwischen dem Strom durch das Gerät und der angelegten Spannung wichtig. In Kenntnis dieser Abhängigkeit ist es möglich, den Strom bei einer gegebenen Spannung oder umgekehrt die einem gegebenen Strom entsprechende Spannung zu bestimmen. Wenn der Widerstand des Geräts unabhängig von Strom oder Spannung konstant ist, wird er durch das Ohmsche Gesetz ausgedrückt: i = u/R oder i = Gu. Der Strom ist direkt proportional zur Spannung. Der Proportionalitätskoeffizient ist die Leitfähigkeit G =1/R. Der Graph der Beziehung zwischen Strom und Spannung wird als "Spannungskennlinie" dieses Geräts bezeichnet. Für ein Gerät, das dem Ohmschen Gesetz gehorcht, ist die Charakteristik eine gerade Linie, die durch den Ursprung verläuft. Geräte, die dem Ohmschen Gesetz gehorchen und eine Strom-Spannungs-Kennlinie in Form einer durch den Ursprung verlaufenden Geraden haben, werden als linear bezeichnet. Es gibt auch Geräte, bei denen der Widerstand nicht konstant ist, sondern von Spannung oder Strom abhängt. Bei solchen Geräten wird die Beziehung zwischen Strom und Spannung nicht durch das Ohmsche Gesetz ausgedrückt, sondern auf komplexere Weise, und die Strom-Spannungs-Kennlinie ist keine gerade Linie. Diese Geräte werden aufgerufen nichtlinear. Ein Elektron-Loch-Übergang ist im Wesentlichen eine Halbleiterdiode. Der Sperrstrom steigt mit zunehmender Sperrspannung zunächst schnell an. Dies liegt daran, dass bereits bei einer kleinen Sperrspannung aufgrund der Erhöhung der Potentialbarriere im Übergang der Diffusionsstrom stark abnimmt, der auf den Leitungsstrom gerichtet ist. Folglich steigt der Gesamtstrom stark an. Bei einer weiteren Erhöhung der Sperrspannung steigt der Strom jedoch geringfügig an, d. h. es tritt ein Phänomen auf, das einer Sättigung ähnelt. Die Stromerhöhung erfolgt aufgrund der Erwärmung des Übergangs durch den Strom, aufgrund von Leckagen über die Oberfläche und auch aufgrund der Lawinenvervielfachung von Ladungsträgern, dh einer Erhöhung der Anzahl von Ladungsträgern als Ergebnis einer Stoßionisation . Dieses Phänomen besteht darin, dass die Elektronen bei einer höheren Sperrspannung eine größere Geschwindigkeit erreichen und beim Auftreffen auf die Atome des Kristallgitters neue Elektronen aus ihnen herausschlagen, die wiederum durch das Feld beschleunigt werden und auch Elektronen ausschlagen die Atome. Dieser Vorgang verstärkt sich mit steigender Spannung. Bei einem bestimmten Wert der Sperrspannung abbauen pn-Übergang, bei dem der Sperrstrom stark ansteigt und der Widerstand der Sperrschicht stark abnimmt. Es muss zwischen elektrischem und thermischem Durchbruch des pn-Übergangs unterschieden werden. Ein elektrischer Durchschlag ist reversibel, wenn während dieses Durchschlags keine irreversiblen Veränderungen (Zerstörung der Stoffstruktur) im Übergang auftreten. Daher ist der Betrieb der Diode im Modus des elektrischen Durchbruchs zulässig. Es kann zwei Arten von Stromausfällen geben, die häufig miteinander einhergehen: Lawine и Tunnel. Der Lawinendurchbruch wird durch die betrachtete Trägerlawinenvervielfachung aufgrund von Stoßionisation erklärt. Dieser Durchbruch ist typisch für pn-Übergänge mit großer Dicke, die bei einer relativ geringen Konzentration von Verunreinigungen in Halbleitern erhalten werden. Die Durchbruchspannung für einen Lawinendurchbruch beträgt typischerweise zehn oder hundert Volt. Der Zusammenbruch des Tunneleffekts wird durch ein sehr interessantes Phänomen des Tunneleffekts erklärt. Seine Essenz liegt in der Tatsache, dass bei einem ausreichend starken Feld mit einer Stärke von mehr als 105 V / cm, das in einem p-g-Übergang mit geringer Dicke wirkt, einige Elektronen durch den Übergang eindringen, ohne ihre Energie zu ändern. Bei hoher Störstellenkonzentration erhält man dünne Übergänge, in denen der Tunneleffekt möglich ist. Die dem Tunneldurchbruch entsprechende Durchbruchspannung übersteigt gewöhnlich einige Volt nicht. 14. KAPAZITÄT EINER HALBLEITERDIODE Der P-n-Übergang bei Sperrspannung ähnelt einem Kondensator mit erheblicher Leckage im Dielektrikum. Die Sperrschicht hat einen sehr hohen Widerstand, und auf beiden Seiten davon gibt es zwei entgegengesetzte Raumladungen, die durch ionisierte Atome der Donor- und Akzeptor-Fremdstoffe erzeugt werden. Daher hat der pn-Übergang eine ähnliche Kapazität wie ein Kondensator mit zwei Platten. Dieser Container heißt Barrierekapazität. Die Sperrkapazität steigt wie die Kapazität herkömmlicher Kondensatoren mit zunehmender Fläche des pn-Übergangs und der Dielektrizitätskonstante der Halbleitersubstanz sowie mit abnehmender Dicke der Sperrschicht. Ein Merkmal der Sperrkapazität ist, dass sie eine nichtlineare Kapazität ist, d. h. sie ändert sich mit einer Änderung der Spannung am Übergang. Wenn die Sperrspannung ansteigt, dann nimmt die Dicke der Sperrschicht zu. Und da diese Schicht die Rolle eines Dielektrikums spielt, nimmt die Sperrkapazität ab. Die Sperrkapazität ist schädlich für die Wechselstromgleichrichtung, da sie die Diode überbrückt und bei höheren Frequenzen Wechselstrom durch sie fließt. Gleichzeitig gibt es aber auch eine sinnvolle Anwendung der Sperrkapazität. Spezielle Dioden genannt Varicaps, werden als variable Kondensatoren zum Abstimmen von Schwingkreisen sowie in einigen Schaltungen verwendet, deren Betrieb auf der Verwendung einer nichtlinearen Kapazität basiert. Im Gegensatz zu herkömmlichen Drehkondensatoren, bei denen die Kapazitätsänderung mechanisch erfolgt, wird diese Änderung bei Drehkondensatoren durch Einstellen der Größe der Sperrspannung erreicht. Die Methode zum Abstimmen von Schwingkreisen mit Varicaps wird aufgerufen elektronische Einstellung. Bei Durchlassspannung verfügt die Diode zusätzlich zur Sperrkapazität über eine sogenannte Diffusionskapazität, die ebenfalls nichtlinear ist und mit zunehmender Durchlassspannung zunimmt. Die Diffusionskapazität charakterisiert die Ansammlung mobiler Ladungsträger im n- und p-Bereich bei Vorliegen einer Durchlassspannung am Übergang. Es existiert nur bei Gleichspannung, wenn Ladungsträger in großer Zahl durch eine reduzierte Potentialbarriere diffundieren und sich, ohne Zeit zur Rekombination zu haben, im n- und p-Bereich ansammeln. Wenn also beispielsweise in einer bestimmten Diode der p-Bereich der Emitter und der n-Bereich die Basis ist, entsteht beim Anlegen einer Durchlassspannung vom p-Bereich an den n-Bereich eine große Anzahl von Löchern strömen durch den Übergang und daher entsteht in der Ladung des n-Bereichs eine positive Spannung. Gleichzeitig gelangen unter Einwirkung einer Gleichspannungsquelle Elektronen vom Außenleiterdraht in den n-Bereich und in diesem Bereich entsteht eine negative Ladung. Löcher und Elektronen im n-Bereich können nicht sofort rekombinieren. Daher entspricht jeder Wert der Durchlassspannung einem bestimmten Wert zweier gleicher entgegengesetzter Ladungen, die sich im n-Bereich aufgrund der Ladungsträgerdiffusion durch den Übergang angesammelt haben. Die Diffusionskapazität ist viel größer als die Sperrkapazität, hat aber in den meisten Fällen keinen signifikanten Einfluss auf den Betrieb der Diode und kann auch nicht verwendet werden, da sie immer durch den niedrigen direkten Widerstand der Diode selbst überbrückt wird . Von praktischer Bedeutung ist in der Regel nur die Sperrkapazität. 15. ANWENDUNG VON HALBLEITERDIODEN ZUR GLEICHRICHTUNG VON WECHSELSTROM Die Wechselstromgleichrichtung ist einer der Hauptprozesse in der Funkelektronik. In einem Gleichrichter wird Wechselspannung in Gleichspannung umgewandelt. Halbleiterdioden leiten Strom gut in Durchlassrichtung und schlecht in Sperrrichtung, und daher ist der Hauptzweck der meisten Dioden AC-Gleichrichtung. In Gleichrichtern zur Versorgung elektronischer Geräte dient üblicherweise ein an das elektrische Netz angeschlossener Leistungstransformator als variabler EMK-Generator. Anstelle eines Transformators wird manchmal ein Spartransformator verwendet. In einigen Fällen wird der Gleichrichter vom Transformatornetz gespeist. Die Rolle des Lastwiderstands, d. h. des Verbrauchers von Gleichstromenergie, spielen in praktischen Schaltungen diejenigen Schaltungen oder Geräte, die von einem Gleichrichter gespeist werden. Bei der Gleichrichtung hochfrequenter Ströme, beispielsweise in Detektorstufen von Funkempfängern, dient ein Hochfrequenztransformator oder ein Resonanzschwingkreis als variabler EMF-Generator, und ein speziell enthaltener Lastwiderstand hat einen großen Widerstand. Die Verwendung eines Kondensators verdoppelt die Sperrspannung im Vergleich zu ihrem Wert ohne Kondensator. Sehr gefährlich ist ein Kurzschluss der Last, der insbesondere auftritt, wenn der Kondensator des Glättungsfilters durchbricht. Dann wird die gesamte Quellenspannung an die Diode angelegt und der Strom wird inakzeptabel. los thermischer Durchbruch der Diode. Der Vorteil von Halbleiterdioden gegenüber Vakuumdioden ist nicht nur das Fehlen einer Kathodenheizung, sondern auch ein geringer Spannungsabfall über der Diode bei Gleichstrom. Unabhängig von der Größe des Stroms, also der Leistung, für die die Halbleiterdiode ausgelegt ist, beträgt die Flussspannung an ihr Zehntel Volt oder etwas mehr als 1 V. Daher ist der Wirkungsgrad von Gleichrichtern mit Halbleiterdioden höher als mit Vakuumdioden. Bei der Gleichrichtung höherer Spannungen steigt der Wirkungsgrad, da hier ein Spannungsverlust von ca. 1V an der Diode selbst nicht ins Gewicht fällt. Daher sind Halbleiterdioden wirtschaftlicher als Vakuumdioden und geben während des Betriebs weniger Wärme ab, was zu einer schädlichen Erwärmung anderer in der Nähe befindlicher Teile führt. Außerdem haben Halbleiterdioden eine sehr lange Lebensdauer. Ihr Nachteil ist jedoch eine relativ niedrige Grenzsperrspannung von nicht mehr als Hunderten von Volt, während sie bei Hochspannungs-Kenotrons bis zu mehreren zehn Kilovolt betragen kann. Halbleiterdioden können in beliebigen Gleichrichterschaltungen verwendet werden. Wenn das Gleichrichter-Glättungsfilter mit einem großen Kondensator beginnt, tritt beim Einschalten der Wechselspannung ein Stromimpuls auf, um den Kondensator aufzuladen, der häufig den zulässigen Durchlassstrom dieser Diode überschreitet. Um einen solchen Strom zu reduzieren, wird daher manchmal ein Begrenzungswiderstand mit einem Widerstandswert in der Größenordnung von Einheiten oder mehreren zehn Ohm in Reihe mit der Diode geschaltet. Bei im Gleichrichterbetrieb betriebenen Halbleiterdioden sind bei Umpolung der Spannung deutliche Rückstromimpulse zu beobachten. Diese Impulse entstehen aus zwei Gründen. Zunächst entsteht unter dem Einfluss der Sperrspannung ein Stromimpuls, der die Sperrkapazität des pn-Übergangs auflädt. Je größer diese Kapazität ist, desto größer ist dieser Impuls. Zweitens werden unter Sperrspannung in den n- und p-Bereichen angesammelte Minoritätsladungsträger dissipiert. In der Praxis spielt aufgrund der unterschiedlichen Verunreinigungskonzentrationen in diesen Bereichen die Hauptrolle die größere Ladung, die in einem der Bereiche akkumuliert wird. 16. ALLGEMEINE INFORMATIONEN ÜBER TRANSISTOREN Unter den elektrisch umwandelnden Halbleitervorrichtungen, d. h. Vorrichtungen, die zum Umwandeln elektrischer Größen verwendet werden, nimmt ein wichtiger Platz ein Transistoren. Sie sind zur Leistungsverstärkung geeignete Halbleiterbauelemente und haben drei oder mehr Anschlüsse. Transistoren können eine unterschiedliche Anzahl von Übergängen zwischen Bereichen mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit aufweisen. Die gängigsten Transistoren mit zwei pn-Übergängen. Diese Transistoren werden genannt bipolar, da ihre Arbeit auf der Verwendung von Ladungsträgern beider Zeichen basiert. Die ersten Transistoren waren vom Punkttyp, aber sie waren nicht stabil genug. Derzeit ausschließlich hergestellt und verwendet planar Transistoren. Ein planarer Bipolartransistor ist eine Platte aus Germanium oder einem anderen Halbleiter, in der drei Bereiche mit unterschiedlicher elektrischer Leitfähigkeit erzeugt werden. Der mittlere Bereich des Transistors wird Basis genannt, ein äußerster Bereich ist der Emitter und der andere ist der Kollektor. Somit verfügt der Transistor über zwei pn-Übergänge – einen Emitterübergang zwischen Emitter und Basis und einen Kollektorübergang zwischen Basis und Kollektor. Der Abstand zwischen ihnen sollte sehr gering sein, nicht mehr als ein paar Mikrometer, d. h. die Grundfläche sollte sehr dünn sein. Dies ist die wichtigste Voraussetzung für einen guten Betrieb des Transistors. Darüber hinaus ist die Konzentration an Verunreinigungen im Sockel meist deutlich geringer als im Kollektor und Emitter. Die Schlussfolgerungen werden mithilfe von Metallelektroden aus Basis, Emitter und Kollektor gezogen. ( Abhängig von der Spannung an seinen Anschlüssen kann ein Transistor in drei Modi arbeiten. Der Betrieb im aktiven Modus wird erreicht, wenn die Spannung am Emitterübergang direkt und am Kollektorübergang umgekehrt ist. Der Sperr- oder Sperrmodus wird durch Anlegen einer Sperrspannung an beide Anschlüsse erreicht. Wenn an beiden Anschlüssen eine Gleichspannung anliegt, arbeitet der Transistor im Sättigungsmodus. Der aktive Modus ist der wichtigste. Es wird insbesondere in den meisten Verstärkern und Oszillatoren verwendet. In praktischen Schaltungen mit Transistoren werden üblicherweise zwei Schaltungen gebildet. Die Eingangs- oder Steuerschaltung wird verwendet, um den Betrieb des Transistors zu steuern. In der Ausgangs- oder gesteuerten Schaltung werden verstärkte Oszillationen erhalten. Die Quelle der verstärkten Schwingungen ist im Eingangskreis enthalten, und die Last ist im Ausgangskreis enthalten. Abhängigkeiten zwischen Strömen und Spannungen in Transistoren werden durch ihre statischen Eigenschaften ausgedrückt, d. h. Eigenschaften, die bei Gleichstrom und ohne Last im Ausgangskreis genommen werden. Die Eingangs- und Ausgangscharakteristik eines Transistors ist eng mit der Strom-Spannungs-Charakteristik einer Halbleiterdiode verbunden. Die Eingangsspezifikationen beziehen sich auf einen Emitterübergang, der mit Durchlassspannung arbeitet. Daher ähneln sie der Sperrstromkennlinie einer Diode. Die Ausgangscharakteristik ähnelt der Sperrstromcharakteristik einer Diode, da sie die Eigenschaften eines Kollektorübergangs widerspiegelt, der bei Sperrspannung arbeitet. Es gibt auch Rückkopplungskennlinien, die zeigen, wie sich die Eingangsspannung eines Transistors unter dem Einfluss einer Änderung der Ausgangsspannung ändert, vorausgesetzt der Eingangsstrom ist konstant. 17. PHYSIKALISCHE PROZESSE IN EINEM TRANSISTOR Betrachten wir, wie ein Transistor im statischen Modus ohne Last arbeitet, wenn nur Quellen konstanter Versorgungsspannung eingeschaltet sind. Ihre Polarität ist so, dass am Emitterübergang die Spannung vorwärts und am Kollektorübergang umgekehrt ist. Daher ist der Widerstand des Emitterübergangs gering und eine Quelle mit einer Spannung in der Größenordnung von Zehntel Volt reicht aus, um an diesem Übergang einen normalen Strom zu erhalten. Der Kollektorübergangswiderstand ist hoch und die Spannung beträgt normalerweise einige oder mehrere zehn Volt. Das Funktionsprinzip des Transistors ist, dass die Durchlassspannung des Emitterübergangs den Kollektorstrom erheblich beeinflusst: Je höher die Spannung, desto größer sind die Emitter- und Kollektorströme. Die Änderung des Kollektorstroms ist dabei nur geringfügig geringer als die Änderung des Emitterstroms. Somit steuert die Eingangsspannung den Kollektorstrom. Die Verstärkung elektrischer Schwingungen mit Hilfe eines Transistors beruht genau auf diesem Phänomen. Physikalische Prozesse im Transistor laufen wie folgt ab. Wenn die Vorwärtseingangsspannung zunimmt, verringert sich die Potentialbarriere im Emitterübergang und der Strom durch diesen Übergang, der Emitterstrom, steigt entsprechend an. Elektronen dieses Stroms werden vom Emitter in die Basis injiziert und dringen aufgrund des Diffusionsphänomens durch die Basis in den Bereich des Kollektorübergangs ein, wodurch der Kollektorstrom erhöht wird. Da der Kollektorübergang mit Sperrspannung betrieben wird, werden im Bereich dieses Übergangs Raumladungen erzeugt. Zwischen ihnen entsteht ein elektrisches Feld. Es fördert die Bewegung der vom Emitter hierher kommenden Elektronen durch den Kollektorübergang, d. h. es zieht Elektronen in den Bereich des Kollektorübergangs. Wenn die Basisdicke klein genug und die Konzentration der Löcher darin gering ist, dann hat die Mehrheit der Elektronen, nachdem sie die Basis passiert haben, keine Zeit, sich mit den Basislöchern zu rekombinieren und den Kollektorübergang zu erreichen. Nur ein kleiner Teil der Elektronen rekombiniert mit Löchern in der Basis. Als Ergebnis dieser Rekombination fließt ein Basisstrom im Basisdraht. Als Ergebnis der Rekombination verschwindet jede Sekunde eine bestimmte Anzahl von Löchern, aber jede Sekunde erscheint die gleiche Anzahl neuer Löcher aufgrund der gleichen Anzahl von Elektronen, die die Basis in Richtung des Source-Pols verlassen. Es kann keine Ansammlung von beliebig vielen Elektronen in der Basis geben. Der Basisstrom ist nutzlos und sogar schädlich. Es ist wünschenswert, dass der Basisstrom so klein wie möglich ist. Dazu wird die Basis sehr dünn gemacht und die Konzentration von Verunreinigungen darin, die die Konzentration von Löchern bestimmt, wird verringert. Unter diesen Bedingungen wird eine kleinere Anzahl von Elektronen in der Basis mit Löchern rekombinieren. Der Name „Emitter“, der einer der Elektroden gegeben wird, betont, dass Elektronen sozusagen von dieser Elektrode zur Basis emittiert werden. Tatsächlich ist es keine Emission, sondern die Injektion von Elektronen vom Emitter in die Basis. Die Verwendung dieses Begriffs ist notwendig, um dieses Phänomen von der Elektronenemission zu unterscheiden, die zur Erzeugung von Elektronen im Vakuum oder in verdünntem Gas führt. Als Emitter sollte der Bereich des Transistors bezeichnet werden, dessen Zweck die Injektion von Ladungsträgern in die Basis ist. Ein Kollektor ist ein Bereich, der dazu dient, Ladungsträger von der Basis zu extrahieren. Und die Basis ist der Bereich, in den für diesen Bereich untergeordnete Ladungsträger vom Emitter injiziert werden. Emitter und Kollektor können vertauscht werden. Bei Transistoren ist der Kollektorübergang jedoch in der Regel viel größer als der Emitterübergang, da die Verlustleistung im Kollektorübergang viel größer ist als im Emitterübergang. 18. GRUNDSCHEMA ZUM EINSCHALTEN VON TRANSISTOREN Übernehmen drei Hauptschemata Einbeziehung von Transistoren in Verstärkungs- oder andere Kaskaden. Bei diesen Schaltungen ist eine der Transistorelektroden der gemeinsame Ein- und Ausgangspunkt der Stufe. Die Grundschaltungen für Schalttransistoren werden jeweils als Schaltungen mit einem gemeinsamen Emitter, einer gemeinsamen Basis und einem gemeinsamen Kollektor bezeichnet. Die gemeinsame Emitterschaltung ist die gebräuchlichste, da sie die höchste Leistungsverstärkung liefert. Die Stromverstärkung einer solchen Stufe ist das Verhältnis der Amplituden der Ausgangs- oder Eingangswechselströme, d. h. der variablen Komponenten der Kollektor- und Basisströme. Da der Kollektorstrom zehnmal größer ist als der Basisstrom, liegt die Stromverstärkung in der Größenordnung von zehn. Die Verstärkungseigenschaften eines Transistors beim Einschalten in einen Stromkreis mit gemeinsamem Emitter werden durch einen seiner Hauptparameter charakterisiert – die statische Stromverstärkung für einen Stromkreis mit gemeinsamem Emitter. Da sie nur den Transistor selbst charakterisieren soll, wird sie im Leerlauf, also bei konstanter Kollektor-Emitter-Spannung, ermittelt. Die Spannungsverstärkung der Kaskade ist gleich dem Verhältnis der Amplituden der Ausgangs- und Eingangswechselspannungen. Der Eingang ist die Basis-Emitter-Spannung und der Ausgang ist die Wechselspannung am Lastwiderstand oder zwischen Kollektor und Emitter. Die Schaltung in Basisschaltung liefert eine viel geringere Leistungsverstärkung und hat eine noch niedrigere Eingangsimpedanz als die Schaltung in Emitterschaltung, wird jedoch häufig verwendet, da sie in Bezug auf ihre Frequenz- und Temperatureigenschaften viel besser ist als die Schaltung in Emitterschaltung. Die Stromverstärkung einer Stufe mit gemeinsamer Basis ist immer etwas kleiner als Eins. Dies folgt daraus, dass der Kollektorstrom immer nur geringfügig kleiner ist als der Emitterstrom. Der wichtigste Parameter von Transistoren ist die statische Stromverstärkung für eine Schaltung mit gemeinsamer Basis. Sie wird für den Leerlaufbetrieb, also bei konstanter Kollektor-Basis-Spannung, ermittelt. Bei einer Basisschaltung gibt es keine Phasenverschiebung zwischen Ausgangs- und Eingangsspannung, d. h. die Phase der Spannung kehrt sich während der Verstärkung nicht um. Schema mit einem gemeinsamen Kollektor. Dabei ist der Kollektor tatsächlich der gemeinsame Ein- und Austrittspunkt, da Netzteile immer mit großen Kondensatoren überbrückt werden und als Kurzschluss für Wechselstrom angesehen werden können. Die Besonderheit dieser Schaltung besteht darin, dass die Eingangsspannung vollständig auf den Eingang zurückgeleitet wird, es also zu einer sehr starken Gegenkopplung kommt. Die Eingangsspannung ist gleich der Summe aus der Basis-Emitter-Wechselspannung und der Ausgangsspannung. Die Stromverstärkung der Kaskade mit gemeinsamem Kollektor ist fast die gleiche wie in der Schaltung mit gemeinsamem Emitter, d.h. sie hat einen Wert in der Größenordnung von zehn. Die Spannungsverstärkung liegt nahe bei Eins, ist aber immer geringer. Die Ausgangsspannung liegt in Phase mit der Eingangsspannung und ist ihr betragsmäßig nahezu gleich. Das heißt, die Ausgangsspannung wiederholt die Eingabe. 19. FREQUENZEIGENSCHAFTEN VON TRANSISTOREN Mit zunehmender Frequenz nimmt die von den Transistoren bereitgestellte Verstärkung ab. Es gibt zwei Hauptgründe für dieses Phänomen. Erstens ist es bei höheren Frequenzen nachteilig Kollektorübergangskapazität. Bei niedrigen Frequenzen ist der Kapazitätswiderstand sehr groß, der Kollektorwiderstand ist ebenfalls sehr groß, und es kann davon ausgegangen werden, dass der gesamte Strom zum Lastwiderstand fließt. Bei einer hohen Frequenz wird der Widerstand der Kapazität jedoch relativ klein und ein merklicher Teil des vom Generator erzeugten Stroms zweigt in ihn ab, und der Strom im Widerstand nimmt entsprechend ab. Folglich werden die Ausgangsspannung und die Ausgangsleistung reduziert. Die Kapazität des Emitterübergangs verringert mit zunehmender Frequenz ebenfalls ihren Widerstand, wird aber immer durch den niedrigen Widerstand des Emitterübergangs überbrückt und kann daher seine schädliche Wirkung nur bei sehr hohen Frequenzen zeigen. In der Praxis wird bei niedrigeren Frequenzen die Kapazität, die durch einen sehr großen Kollektorübergangswiderstand überbrückt wird, bereits so stark beeinflusst, dass der Betrieb eines Transistors, der durch die Kapazität beeinflusst werden könnte, unpraktisch wird. Daher kann der Effekt der Kapazität in den meisten Fällen vernachlässigt werden. Der zweite Grund für die Abnahme der Verstärkung bei höheren Frequenzen ist AC-Phasenverzögerung Kollektor von einem Wechselstrom-Emitter. Es wird durch die Trägheit des Prozesses der Bewegung von Trägern durch die Basis vom Emitterübergang zum Kollektorübergang sowie durch die Trägheit der Prozesse der Ladungsakkumulation und -dissipation in der Basis verursacht. Ladungsträger, wie beispielsweise Elektronen in einem npn-Transistor, führen eine Diffusionsbewegung in der Basis aus und daher ist ihre Geschwindigkeit nicht sehr hoch. Die Laufzeit von Ladungsträgern durch die Basis in herkömmlichen Transistoren liegt in der Größenordnung von 10&supmin;&sup7; s, d. h. 0,1 µs oder weniger. Natürlich ist diese Zeit sehr kurz, aber bei Frequenzen in der Größenordnung von Einheiten und zehn Megahertz und höher verursacht sie eine merkliche Phasenverschiebung zwischen den Kollektor- und Emitterströmen. Durch diese Phasenverschiebung bei hohen Frequenzen erhöht sich der Grundwechselstrom, wodurch die Stromverstärkung reduziert wird. Lassen Sie uns die Stromverstärkung für die Schaltung mit einem gemeinsamen Emitter in und die Stromverstärkung für die Schaltung mit einer gemeinsamen Basis b bezeichnen. Mit zunehmender Frequenz nimmt v viel stärker ab als b. Der Koeffizient b nimmt aufgrund des Einflusses der Kapazität ab, und der Wert von c wird auch durch die Phasenverschiebung zwischen den Kollektor- und Emitterströmen aufgrund der Laufzeit der Ladungsträger durch die Basis beeinflusst. Die Emitterschaltung hat gegenüber der Basisschaltung deutlich schlechtere Frequenzeigenschaften. Es ist üblich, die maximal zulässige Reduzierung der Werte von b und c um 30% im Vergleich zu ihren Werten bei niedrigen Frequenzen zu berücksichtigen. Diejenigen Frequenzen, bei denen eine solche Verstärkungsabnahme erzielt wird, werden als Grenz- oder Begrenzungsverstärkungsfrequenzen für Schaltungen mit einer gemeinsamen Basis und einem gemeinsamen Emitter bezeichnet. Neben den Grenzverstärkungsfrequenzen ist der Transistor auch durch die maximale Erzeugungsfrequenz gekennzeichnet, bei der die Kaskadenleistungsverstärkung auf 1 abfällt. Bei hohen Frequenzen ändern sich nicht nur die Werte von und c. Aufgrund des Einflusses von Sperrschichtkapazitäten und Trägerlaufzeit durch die Basis sowie der Prozesse der Akkumulation und Dissipation von Ladungen in der Basis ändern die intrinsischen Parameter des Transistors bei hohen Frequenzen ihren Wert und sind keine rein aktiven Widerstände mehr. Alle anderen Parameter ändern sich ebenfalls. Höhere Grenzfrequenzen können unter Verwendung von Halbleitern erhalten werden, die eine höhere Trägerbeweglichkeit aufweisen. 20. IMPULSMODUS DER TRANSISTOREN Transistoren werden wie Halbleiterdioden in verschiedenen gepulsten Geräten verwendet. Der Betrieb von Transistoren in einem gepulsten Modus, auch als Schlüssel- oder Schaltmodus bezeichnet, weist eine Reihe von Merkmalen auf. Betrachten Pulsmodus Transistor, der seine Ausgangscharakteristik für eine Emitterschaltung verwendet. Lassen Sie einen Lastwiderstand in den Kollektorkreis aufnehmen. Bevor der Eingang des Transistors einen Impuls eines Eingangsstroms oder einer Eingangsspannung empfängt, befindet sich der Transistor normalerweise im Sperrzustand. Im Kollektorkreis fließt ein kleiner Strom, und daher kann dieser Kreis ungefähr als offen betrachtet werden. Die Source-Spannung liegt fast vollständig am Transistor an. Wird am Eingang ein Stromimpuls mit maximalem Wert angelegt, so geht der Transistor in den Sättigungsbereich. Es stellt sich ein Kollektorstromimpuls mit einem Maximalwert heraus. Er wird manchmal als Sättigungsstrom bezeichnet. In diesem Modus fungiert der Transistor als geschlossener Schlüssel und fast die gesamte Quellenspannung fällt über den Widerstand ab, und es gibt nur eine sehr kleine Restspannung in der Größenordnung von zehn Bruchteilen eines Volts am Transistor, die allgemein als Transistor bezeichnet wird Sättigungsspannung. Wenn der Eingangsstromimpuls kleiner als der Maximalwert ist, nimmt auch der Kollektorstromimpuls ab. Andererseits ergibt eine Erhöhung des Basisstromimpulses über den Maximalwert hinaus keine Erhöhung des Ausgangsstromimpulses mehr. Der gepulste Modus ist auch durch die Stromverstärkung gekennzeichnet, die im Gegensatz zu v nicht durch das Inkrement von Strömen bestimmt wird, sondern als das dem Sättigungsmodus entsprechende Verhältnis von Strömen. Mit anderen Worten, β ist ein Parameter, der die Verstärkung von kleinen Signalen charakterisiert, und die Stromverstärkung bezieht sich auf die Verstärkung von großen Signalen, insbesondere Impulsen, und unterscheidet sich in der Größe etwas von β. Der Parameter des Impulsmodus des Transistors ist auch sein Sättigungswiderstand. Der Wert des Sättigungswiderstands für Transistoren, die für den Impulsbetrieb bestimmt sind, liegt normalerweise in der Größenordnung von Einheiten, manchmal im Bereich von mehreren zehn Ohm. Ähnlich wie die betrachtete Schaltung mit gemeinsamem Emitter arbeitet auch die Schaltung mit gemeinsamer Basis gepulst. Wenn die Dauer des Eingangsimpulses um ein Vielfaches länger ist als die Zeit vorübergehender Prozesse der Akkumulation und Dissipation von Ladungen in der Basis des Transistors, dann hat der Ausgangsstromimpuls fast dieselbe Dauer und Form wie der Eingangsimpuls. Bei kurzen Impulsen ist jedoch eine erhebliche Verzerrung der Impulsform des Ausgangsstroms und eine Verlängerung seiner Dauer zu beobachten. Der allmähliche Anstieg des Stroms ist mit dem Prozess der Akkumulation von Trägern in der Basis verbunden. Außerdem haben die zu Beginn des Eingangsstromimpulses in die Basis injizierten Ladungsträger unterschiedliche Geschwindigkeiten ihrer Diffusionsbewegung und erreichen nicht alle den Kollektor auf einmal. Nach dem Ende des Eingangsimpulses aufgrund des Dissipationsvorgangs der in der Basis angesammelten Ladung hält der Strom noch einige Zeit an und nimmt dann während der Abklingzeit allmählich ab. Folglich verlangsamt sich der Vorgang des Ein- und Ausschaltens des Kollektorkreises, die Zeit, während der er sich in einem geschlossenen Zustand befindet, wird verzögert. Mit anderen Worten kann der Transistor aufgrund der Trägheit der Prozesse des Ansammelns und Abführens der Ladung in der Basis kein ausreichend schnelles Ein- und Ausschalten ausführen, d. h. er liefert keine ausreichende Geschwindigkeit für den Schaltmodus. 21. HAUPTTYPEN VON TRANSISTOREN Vorhandene Transistortypen werden nach Herstellungsverfahren, verwendeten Materialien, Betriebsmerkmalen, Zweck, Leistung, Betriebsfrequenzbereich und anderen Merkmalen klassifiziert. Punkttransistoren, historisch die ersten, werden nicht mehr verwendet. In Betracht ziehen planare Transistoren. Als Halbleiter für industriell hergestellte Transistoren werden Germanium und Silizium verwendet. Entsprechend der im Kollektorübergang maximal freigesetzten Leistung gibt es Transistoren mit niedriger, mittlerer und hoher Leistung. Abhängig von der Grenzbetriebsfrequenz sind Transistoren niederfrequent (bis 3 MHz), mittelfrequent (von 3 bis 30 MHz) und hochfrequent (über 30 MHz). Bei der überwiegenden Mehrheit der Transistoren ist der wichtigste physikalische Prozess die Trägerinjektion, aber es gibt eine Gruppe von Transistoren, die ohne Injektion arbeiten. Dazu gehören insbesondere Feld-(Kanal-)Transistoren. Injektionstransistoren können eine unterschiedliche Anzahl von pn-Übergängen haben. Außerordentlich verbreitet sind Bipolartransistoren mit zwei pn-Übergängen. Es gibt zwei Arten solcher Transistoren: Drift, bei der die Übertragung kleinerer Ladungsträger durch die Basis hauptsächlich durch Drift erfolgt, d. h. unter Einwirkung eines beschleunigenden elektrischen Felds, und driftlos, bei der eine solche Übertragung hauptsächlich durchgeführt wird durch Diffusion. Driftfreie Transistoren haben im gesamten Basisvolumen die gleiche Störstellenkonzentration. Infolgedessen entsteht in der Basis kein elektrisches Feld, und die Ladungsträger darin führen eine Diffusionsbewegung vom Emitter zum Kollektor aus. Die Geschwindigkeit einer solchen Bewegung ist geringer als die Trägerdriftgeschwindigkeit im Beschleunigungsfeld. Daher sind driftfreie Transistoren für niedrigere Frequenzen ausgelegt als driftfreie. Bei Drifttransistoren beschleunigt das elektrische Feld in der Basis die Minoritätsträger auf ihrem Weg zum Kollektor. Daher erhöhen sich die Grenzfrequenz und die Stromverstärkung. Meistens wird das elektrische Feld in der Basis aufgrund der ungleichen Konzentration von Verunreinigungen in der Masse der Basis erzeugt, was mit dem Diffusionsverfahren zur Herstellung von pn-Übergängen erreicht werden kann. Auf diese Weise hergestellte Transistoren werden genannt Diffusion. Driftfreie Transistoren Die meisten haben Legierungsübergänge, die mit einer diodenähnlichen Technologie erhalten wurden. Diese Transistoren werden Legierungstransistoren genannt. Verunreinigungen werden von beiden Seiten in die Haupthalbleiterplatte eingeschmolzen und bilden die Emitter- und Kollektorregionen. Da der Kollektorübergang mehr Leistung abführt, ist er normalerweise viel größer als der Emitterübergang. Es können jedoch auch symmetrische Legierungstransistoren hergestellt werden, bei denen beide Übergänge gleich sind. Drifttransistoren werden mit Grenzfrequenzen hergestellt, die zehnmal höher sind als die von Legierungstransistoren. Unter der Wirkung des Beschleunigungsfeldes bewegen sich die Träger viel schneller in der Basis. Bei der Herstellung von Drifttransistoren wird ein Diffusionsverfahren verwendet, bei dem die Basis sehr dünn gemacht werden kann. Der Kollektorübergang erweist sich als glatt und seine Kapazität ist dann viel geringer als die von Legierungsübergängen. Aufgrund der geringen Dicke der Basis sind die Verstärkungen b und c viel höher als die von Legierungstransistoren. Das Diffusionsverfahren ermöglicht eine genauere Herstellung von Transistoren mit einer geringeren Streuung von Parametern und Eigenschaften. 22. ALLGEMEINE INFORMATIONEN ÜBER ELEKTROVAKUUMGERÄTE UND DIE PRINZIPIEN IHRER KLASSIFIZIERUNG Elektrovakuumgeräte sind weit verbreitet. Mit Hilfe dieser Geräte ist es möglich, elektrische Energie einer Art in elektrische Energie einer anderen Art, die sich in Form, Größe und Frequenz von Strom oder Spannung unterscheidet, sowie Strahlungsenergie in elektrische Energie umzuwandeln und umgekehrt. Durch Elektrovakuumgeräte es ist möglich, die Regelung verschiedener Strom-, Licht- und anderer Größen stufenlos oder in Stufen, mit hoher oder niedriger Geschwindigkeit und mit geringen Energiekosten für den Regelungsprozess selbst durchzuführen, d. h. ohne eine für viele andere Verfahren charakteristische signifikante Verringerung des Wirkungsgrads der Regulierung und Kontrolle. Diese Vorteile von Elektrovakuumgeräten führten zu ihrer Verwendung zur Gleichrichtung, Verstärkung, Erzeugung und Frequenzumwandlung verschiedener elektrischer Ströme, Oszillographie elektrischer und nichtelektrischer Phänomene, automatischer Steuerung und Regelung, Übertragung und Empfang von Fernsehbildern, verschiedenen Messungen und anderen Prozessen. Elektrovakuumgeräte sind Geräte, bei denen der durch eine gasdichte Hülle isolierte Arbeitsraum einen hohen Verdünnungsgrad aufweist oder mit einem speziellen Medium (Dämpfen oder Gasen) gefüllt ist und deren Wirkungsweise auf der Nutzung elektrischer Phänomene im Vakuum beruht oder Erdgas. Elektrovakuumgeräte werden unterteilt in elektronische Geräte, bei denen im Vakuum ein rein elektronischer Strom fließt, und Ionengeräte (Gasentladung), die durch eine elektrische Entladung in einem Gas oder Dampf gekennzeichnet sind. In elektronischen Geräten ist die Ionisation praktisch nicht vorhanden, und wenn sie in geringem Maße beobachtet wird, hat sie keinen merklichen Einfluss auf den Betrieb dieser Geräte. Die Gasverdünnung in diesen Geräten wird durch den Druck der Restgase auf weniger als 10-6 mm Hg geschätzt. Art., charakteristisch für Hochvakuum. In Ionengeräten beträgt der Druck der Restgase 10-3 mm Hg. Kunst. und höher. Bei einem solchen Druck kollidiert ein erheblicher Teil der sich bewegenden Elektronen mit Gasmolekülen, was zu einer Ionisierung führt, und daher sind die Prozesse in diesen Geräten Elektron-Ion. Die Wirkung von leitfähigen (nicht entladenden) Elektrovakuumgeräten basiert auf der Verwendung von Phänomenen, die mit elektrischem Strom in festen oder flüssigen Leitern in einem verdünnten Gas verbunden sind. Bei diesen Geräten gibt es keine elektrische Entladung in einem Gas oder Vakuum. Elektrovakuumgeräte werden nach verschiedenen Kriterien eingeteilt. Eine besondere Gruppe bilden Vakuumröhren, also elektronische Geräte, die für verschiedene Umwandlungen elektrischer Größen ausgelegt sind. Je nach Verwendungszweck sind diese Lampen Generator, Verstärker, Gleichrichter, Frequenzumrichter, Detektor, Messtechnik usw. Die meisten von ihnen sind für den Dauerbetrieb ausgelegt, sie produzieren aber auch Lampen für den gepulsten Betrieb. Sie erzeugen elektrische Impulse, also kurzzeitige Ströme, sofern die Dauer der Impulse viel geringer ist als die Pausen zwischen den Impulsen. Elektrovakuumgeräte werden auch nach vielen anderen Kriterien klassifiziert: nach der Art der Kathode (heiß oder kalt), nach der Bauform des Zylinders (Glas, Metall, Keramik oder kombiniert), nach der Art der Kühlung (natürlich, also strahlend, forciert Luft Wasser). 23. GERÄT UND FUNKTIONSPRINZIP DER DIODE Der Hauptzweck einer Zwei-Elektroden-Lampe, genannt Diode, ist AC-Gleichrichtung. Die Diode verfügt über zwei Metallelektroden in einem Vakuumbehälter aus Glas, Metall oder Keramik. Eine Elektrode ist eine beheizte Kathode, die zur Emission von Elektronen dient. Eine weitere Elektrode, die Anode, dient dazu, von der Kathode emittierte Elektronen anzuziehen und einen Fluss freier Elektronen zu erzeugen. Kathode und Anode einer Vakuumdiode ähneln Emitter und Basis einer Halbleiterdiode. Die Anode zieht Elektronen an, wenn sie gegenüber der Kathode ein positives Potenzial hat. Im Raum zwischen Anode und Kathode entsteht ein elektrisches Feld, das bei positivem Potential der Anode die von der Kathode emittierten Elektronen beschleunigt. Von der Kathode emittierte Elektronen bewegen sich unter dem Einfluss des Feldes zur Anode. Die Kathode besteht im einfachsten Fall aus einem Metalldraht, der durch einen Strom erhitzt wird. Von seiner Oberfläche werden Elektronen emittiert. Solche Kathoden werden Kathoden der direkten und direkten Erwärmung genannt. Auch weit verbreitet Kathoden der indirekten Erwärmung, auch bekannt als erhitzt. Dieser Kathodentyp hat einen Metallzylinder, dessen Oberfläche mit einer aktiven Schicht bedeckt ist, die Elektronen emittiert. Im Inneren des Zylinders befindet sich eine Heizung in Form eines durch Strom erhitzten Drahtes. Zwischen der Anode und der Kathode bilden die Elektronen eine im Raum verteilte negative elektrische Ladung, die als volumetrisch oder räumlich bezeichnet wird und die Bewegung der Elektronen zur Anode verhindert. Wenn das positive Potential der Anode nicht groß genug ist, können nicht alle Elektronen die bremsende Wirkung der Raumladung überwinden und einige von ihnen kehren zur Kathode zurück. Je höher das Anodenpotential, desto mehr Elektronen überwinden die Raumladung und gehen zur Anode, d. h. desto größer ist der Kathodenstrom. In einer Diode werden die Elektronen, die die Kathode verlassen, auf die Anode übertragen. Der Elektronenfluss, der innerhalb der Lampe von der Kathode zur Anode fliegt und auf die Anode fällt, wird als bezeichnet Anodenstrom. Der Anodenstrom ist der Hauptstrom der Vakuumröhre. Die Elektronen des Anodenstroms bewegen sich innerhalb der Lampe von der Kathode zur Anode und außerhalb der Lampe – von der Anode zum Plus der Anodenquelle, innerhalb der letzteren – von ihrem Plus zum Minus und dann vom Minus der Quelle zur Kathode der Lampe. Wenn sich das positive Potenzial der Anode ändert, ändern sich der Kathodenstrom und der gleiche Anodenstrom. Dies ist das elektrostatische Prinzip zur Steuerung des Anodenstroms. Wenn das Anodenpotential im Verhältnis zur Kathode negativ ist, hemmt das Feld zwischen Anode und Kathode das Austreten von Elektronen aus der Kathode. Diese Elektronen werden durch das Feld gehemmt und kehren zur Kathode zurück. In diesem Fall sind die Kathoden- und Anodenströme Null. Die Haupteigenschaft einer Diode ist also ihre Fähigkeit, Strom in eine Richtung zu leiten. Die Diode hat eine Einwegleitfähigkeit. Low-Power-Detektordioden werden mit indirekt beheizten Kathoden hergestellt. Sie haben kleine Elektroden, sind für kleine Anodenströme, eine niedrige Grenzleistung, die an der Anode freigesetzt wird, und eine niedrige Sperrspannung ausgelegt. Detektordioden für hohe und ultrahohe Frequenzen werden mit möglichst geringer Kapazität hergestellt. Leistungsstärkere Dioden (Kenotrons) zum Gleichrichten von Wechselstrom des Netzes werden mit Kathoden sowohl mit direkter als auch mit indirekter Erwärmung hergestellt und sind für eine höhere Sperrspannung ausgelegt. Weit verbreitet sind Doppeldioden, also zwei Dioden in einem Zylinder. 24. TRIODE UND IHRE SCHALTUNGEN Im Gegensatz zu Dioden haben Trioden eine dritte Elektrode - Kontrollgitter, wird normalerweise als einfaches Gitter bezeichnet und befindet sich zwischen Anode und Kathode. Er dient zur elektrostatischen Steuerung des Anodenstroms. Wenn Sie das Potential des Gitters relativ zur Kathode ändern, ändert sich das elektrische Feld und infolgedessen ändert sich der Kathodenstrom der Lampe. Dies ist die Steuerwirkung des Gitters. Die Kathode und Anode von Trioden sind die gleichen wie die von Dioden. Das Gitter in den meisten Lampen besteht aus Draht, der die Kathode umgibt. Die Kathode, das Gitter und die Anode einer Vakuumdiode entsprechen jeweils dem Emitter, der Basis und dem Kollektor eines Bipolartransistors oder der Source, dem Gate und dem Drain eines Feldeffekttransistors. Alles, was mit dem Gitter zu tun hat, wird mit dem Buchstaben "c" bezeichnet. Die Triode hat Filament- und Anodenschaltungen ähnlich denen einer Diode und eine Gitterschaltung. In praktischen Schaltungen sind Widerstände und andere Teile in der Gitterschaltung enthalten. Die Potentialdifferenz zwischen Gitter und Kathode ist die Gitterspannung (Gitterspannung) und wird mit Uc bezeichnet. Bei einer Lampe mit direkter Glühkathode wird die Gitterspannung relativ zu dem Ende der Kathode bestimmt, das mit dem Minuspol der Anodenquelle verbunden ist. Bei positiver Gitterspannung trifft ein Teil der von der Kathode emittierten Elektronen auf das Gitter, und in seinem Kreis bildet sich ein mit ic bezeichneter Gitterstrom (Gitterstrom). Der Teil der Triode, bestehend aus einer Kathode, einem Gitter und einem Abstand dazwischen, ähnelt in seinen Eigenschaften einer Diode, und der Gitterkreis ähnelt dem Anodenkreis einer Diode. Die Rolle der Anode in dieser Diode übernimmt das Gitter. Der Haupt- und Nutzstrom in der Triode ist der Anodenstrom. Er ist analog zum Kollektorstrom eines Bipolartransistors oder dem Drainstrom eines Feldeffekttransistors. Gitterstrom, ähnlich dem Basisstrom eines Transistors, ist im Allgemeinen nutzlos und sogar schädlich. Normalerweise ist er viel kleiner als der Anodenstrom. In vielen Fällen bemühen sie sich sicherzustellen, dass überhaupt kein Netzstrom vorhanden ist. Dazu muss die Netzspannung negativ sein. Dann stößt das Gitter Elektronen ab und der Gitterstrom fehlt praktisch. Es gibt Fälle, in denen Trioden mit relativ großen positiven Gitterspannungen arbeiten und dann der Gitterstrom signifikant ist. Die Möglichkeit, eine Vakuumtriode ohne schädliche Gitterwirkung zu betreiben, unterscheidet sie wesentlich von einem Bipolartransistor, der ohne Basisstrom nicht arbeiten kann. Im Kathodendraht fließen Anoden- und Gitterstrom zusammen. Der Gesamtstrom ist hier der Kathodenstrom oder Kathodenstrom und wird mit ik bezeichnet; ic = ia + ic. Der Kathodenstrom ähnelt dem Emitterstrom eines Bipolartransistors oder dem Sourcestrom eines Feldeffekttransistors und wird durch den gesamten Elektronenfluss bestimmt, der sich von der Kathode zum Gitter bewegt. Bei einer Diode ist der Kathodenstrom immer gleich dem Anodenstrom und bei einer Triode sind diese Ströme nur gleich, wenn Uc < 0, da hier ic = 0 ist. Bei einer Triode mit direkt beheizter Kathode im Heizkreis verzweigt sich der Kathodenstrom in zwei Teile, die sich algebraisch mit dem Heizstrom addieren. Um in diesem Fall den Kathodenstrom zu messen, müssen Sie das Milliamperemeter einschalten. Trioden sind wie Dioden Einwegleiter und können zur Gleichrichtung von Wechselstrom verwendet werden. Es macht jedoch keinen Sinn, sie dafür zu verwenden, da Dioden einfacher aufgebaut und kostengünstiger sind. Die Fähigkeit, den Anodenstrom mithilfe eines Gitters zu steuern, bestimmt den Hauptzweck von Trioden – die Verstärkung elektrischer Schwingungen. Trioden werden auch zur Erzeugung elektrischer Schwingungen verschiedener Frequenzen eingesetzt. Die Arbeit von Trioden in Generatoren und in vielen anderen Spezialschaltungen besteht in den meisten Fällen darin, Schwingungen zu verstärken. 25. EINFACHE UND KOMPLEXE KATHODEN einfache Kathoden, also reine Metallkathoden, die fast ausschließlich aus Wolfram (selten Tantal) bestehen und direkt beheizt werden. Der Hauptvorteil der Wolframkathode ist die Stabilität ihrer Emission. Bei konstanter Glühung nimmt die Emission über die Lebensdauer der Kathode nur allmählich ab. Und für kurze Zeiträume gibt es praktisch keine Änderungen der Emissionen. Nach einer vorübergehenden, nicht sehr langen Überhitzung nimmt die Emission nicht ab. Starke Überhitzung ist gefährlich, da die Kathode schmelzen kann. Längeres Überhitzen verringert die Haltbarkeit der Wolframkathode erheblich. Eine Erhöhung der Wendelspannung um nur 5 % reduziert die Lebensdauer um das 2-fache, eine Verringerung der Wendel um 5 % hingegen verdoppelt die Lebensdauer. Die Wolframkathode wird nicht zerstört und reduziert die Emissionen durch Ioneneinschläge nicht. Aufgrund ihrer Widerstandsfähigkeit gegenüber Ionenbeschuss eignet sich die Wolframkathode besonders für Hochleistungslampen, die mit hohen Anodenspannungen betrieben werden. Wolframkathoden werden auch in speziellen elektrometrischen Lampen verwendet, bei denen es auf eine konstante Emission ankommt. Bei Lampen mit einer Wolframkathode bilden verdampfende Wolframpartikel eine Schicht auf der Oberfläche des Zylinders, die Gase absorbiert und das Vakuum verbessert. Der Hauptnachteil der Wolframkathode ist ihr geringer Wirkungsgrad. Von allen Kathoden ist sie die unwirtschaftlichste. Seine Emissionen sind relativ gering. Aufgrund der hohen Temperatur werden jedoch starke Wärme- und Lichtstrahlen abgegeben, wodurch fast die gesamte Glühleistung verschwendet wird. Dies führte zur Entwicklung wirtschaftlicherer komplexer Kathoden. Komplexe Kathoden kann ein anderes Gerät haben, in. Bei vielen Kathodentypen wird auf der Oberfläche eines reinen Metalls eine Aktivierungsschicht abgeschieden, die die Austrittsarbeit reduziert und es ermöglicht, eine hohe Emission bei relativ niedrigen Temperaturen zu erhalten. Der Hauptvorteil komplexer Kathoden ist ihre Effizienz. Die Betriebstemperatur einiger Kathodentypen beträgt 1000 K. Die Lebensdauer erreicht Tausende und sogar Zehntausende von Stunden. Am Ende dieses Zeitraums gibt es eine Abnahme der Emission aufgrund einer Abnahme der Menge an aktivierenden Verunreinigungen, beispielsweise aufgrund ihrer Verdampfung. Einige Arten von komplexen Kathoden geben eine ultrahohe Emission in einem gepulsten Modus, d. h. für kurze Zeiträume, die durch viel längere Pausen voneinander getrennt sind. Der Hauptnachteil komplexer Kathoden ist die geringe Emissionsstabilität. Diese Kathoden reduzieren den Emissionsgrad bei zeitweiligem Erhitzen, was durch das Verdampfen aktivierender Substanzen bei erhöhten Temperaturen erklärt wird. Um die Möglichkeit einer Ionisierung in Lampen mit komplexen Kathoden zu verringern, ist es wichtig, ein sehr hohes Vakuum aufrechtzuerhalten. Dies wird durch den Einsatz eines speziellen Gasabsorbers erreicht. Komplexe Kathoden können Film und Halbleiter sein. Es werden neue Arten von Kathoden verwendet: Barium-Wolfram-Ram, Thoriumoxid und einige andere. Barium-Wolfram-Kathoden bewirken eine indirekte Erwärmung. Auf der Oberfläche von porösem Wolfram wird ein poröser Aktivierungsfilm aus Barium und Strontium gebildet. Der verdampfende Film wird aufgrund der Diffusion von Barium- und Strontiumatomen durch Wolfram aus einer Tablette von Oxiden dieser Metalle wieder aufgefüllt. Ihr Vorteil ist die Beständigkeit gegen Elektronen- und Ionenbeschuss. Bei sogenannten Sinterkathoden wird das Oxid auf einem Nickelschwamm oder Gitter abgeschieden. Der Widerstand einer solchen Kathode ist deutlich reduziert, und sie ist viel weniger anfällig für Verzerrungen und das Auftreten von Hotspots. 26. KATHODEN DER DIREKTEN UND INDIREKTEN WÄRME Direkt beheizte Kathoden sind Drähte mit rundem oder rechteckigem Querschnitt. Seine Dicke variiert von 0,01 mm für die meisten Lampen mit geringer Leistung bis zu 1-2 mm für leistungsstarke Lampen. Kurze Kathoden werden gerade gemacht. Längere werden in Form einer unterbrochenen Linie gebogen. In Ionengeräten hat die Kathode oft die Form eines Solenoids. Leistungsstarke Kathoden dieser Geräte bestehen aus einem Band, einem gekrümmten "Akkordeon" oder entlang einer Schraubenlinie. Vorteile von direkt beheizten Kathoden sind die Einfachheit der Vorrichtung und die Möglichkeit ihrer Herstellung für die meisten Lampen mit geringer Leistung in Form dünner Glühfäden für einen kleinen Glühfadenstrom. Direkt beheizte Kathoden werden in leistungsstarken Generatorlampen für tragbare und mobile Funkstationen mit geringer Leistung verwendet, die mit Trockenbatterien oder Batterien betrieben werden, da es in diesen Fällen wichtig ist, Energie aus Stromquellen zu sparen. Die Kathode in Form eines dünnen Glühfadens erwärmt sich nach dem Einschalten des Glühfadens schnell, was sehr praktisch ist. Der große Nachteil dieser Kathoden sind jedoch die parasitären Pulsationen des Anodenstroms, wenn der Glühfaden mit Wechselstrom versorgt wird. Sie verursachen viele Störungen, verzerren und übertönen nützliche Signale. Bei akustischer Wahrnehmung manifestieren sich diese Pulsationen als charakteristisches Brummen – „Wechselstromhintergrund“. Der Nachteil dünner direkt geheizter Kathoden ist der Mikrofoneffekt. Sie besteht darin, dass der Anodenstrom beim mechanischen Rütteln der Lampe pulsiert. Äußere Stöße erzeugen Schwingungen an der Kathode. Der Abstand zwischen der Kathode und anderen Elektroden variiert. Dies führt zur Welligkeit des Anodenstroms. Indirekt geheizte Kathoden sind weit verbreitet. Normalerweise hat eine indirekt beheizte Kathode ein Nickelrohr mit einer Oxidschicht, in das ein Wolframheizer eingesetzt ist, der in einer Schleife gewickelt ist. Zur Isolierung gegenüber der Kathode ist der Heizer mit einer Masse aus kalziniertem Aluminiumoxid bedeckt, genannt Alundum. Bei einer beträchtlichen Länge wird der Heizer mehrfach gebogen oder entlang einer Schraubenlinie verdreht. Bei einigen Lampen ist die Kathode in Form eines niedrigen Zylinders mit einer oxidbeschichteten oberen Basis hergestellt. Im Inneren des Zylinders befindet sich ein Heizer mit Alundum-Isolierung, der die Form einer Schleife hat, die zu einer Spirale gewickelt ist. Indirekt beheizte Kathoden sind normalerweise Oxid. Der Hauptvorteil von indirekt beheizten Kathoden ist die nahezu vollständige Eliminierung schädlicher Welligkeiten bei Wechselstrombetrieb. Es gibt praktisch keine Temperaturschwankung, da die Masse und damit die Wärmekapazität dieser Kathoden viel größer ist als die von direkt beheizten Kathoden. Die indirekt beheizte Kathode hat eine große thermische Trägheit. Von dem Moment an, in dem der Heizstrom eingeschaltet wird, bis die Kathode vollständig erhitzt ist, vergehen einige zehn Sekunden. Die gleiche Zeit wird zum Abkühlen der Kathode benötigt. Die Kathode der indirekten Heizung ist äquipotential. Daran entlang gibt es keinen Spannungsabfall durch den Heizstrom. Die Anodenspannung ist für alle Punkte seiner Oberfläche gleich. Es pulsiert nicht, wenn die Heizspannung schwankt. Der Vorteil indirekt geheizter Kathoden ist ein leichter Mikrofoneffekt. Die Masse der Kathode ist relativ groß und lässt sich nur schwer in einen Schwingungszustand bringen. Indirekt beheizte Kathoden haben einige Nachteile. Sie sind komplexer aufgebaut und haben einen etwas geringeren Wirkungsgrad. Indirekte Filamentkathoden sind schwierig für sehr niedrige Ströme zu konstruieren und sind daher weniger geeignet für wirtschaftliche batteriebetriebene Lampen mit geringer Leistung. 27. DAS GESETZ DER DREI-SEKUNDEN-POTENZ FÜR DIE DIODE Für eine im Raumladungsmodus arbeitende Diode sind Anodenstrom und Anodenspannung durch einen nichtlinearen Zusammenhang verbunden, der aufgrund theoretischer Berechnungen näherungsweise durch das sogenannte Potenz-Drei-Sekunden-Gesetz ausgedrückt wird: /a = dia3/2 , wobei der Koeffizient von den geometrischen Abmessungen und der Form der Elektroden sowie von den gewählten Einheiten abhängt. Der Anodenstrom ist proportional zur Anodenspannung hoch 3/2 und nicht wie im Ohmschen Gesetz zur ersten Potenz. Wenn beispielsweise die Anodenspannung verdoppelt wird, erhöht sich der Anodenstrom um etwa das 2,8-fache, dh er wird 40% höher, als er nach dem Ohmschen Gesetz sein sollte. Somit wächst der Anodenstrom schneller als die Anodenspannung. Grafisch wird das Gesetz des Grads von drei Sekunden durch eine gekrümmte Linie namens dargestellt halbkubische Parabel. Das Potenz-Drei-Sekunden-Gesetz gilt für positive Anodenspannungen, die kleiner als Sättigungsspannungen sind. Wenn wir den Koeffizienten q im Gesetz der Potenz von drei Sekunden entschlüsseln, sollte dieses Gesetz für eine Diode mit flachen Elektroden wie folgt geschrieben werden: ia \u2,33d 10 6-2 (Qa / d3a. k) Ua2 / XNUMX, wobei Qa die Fläche der Anode ist, da. k - Abstand "Anode - Kathode". Bei Dioden mit anders geformten Elektroden werden einige Korrekturen am konstanten Koeffizienten vorgenommen, und Qa stellt die effektive Oberfläche der Anode dar, d. h. die Oberfläche, die den Hauptelektronenfluss empfängt. In dieser Formel erhält man den Strom in Ampere, wenn man die Spannung in Volt annimmt, und Qa und d2ak werden in beliebigen identischen Einheiten ausgedrückt, beispielsweise in Quadratmillimetern. Der Strom ist umgekehrt proportional zum Quadrat des Anoden-Kathoden-Abstands. Eine Verringerung dieses Abstands erhöht diesen Anodenstrom stark. Die Potenz des Drei-Sekunden-Gesetzes ist zwar ungenau, aber nützlich, da es die nichtlinearen Eigenschaften der Vakuumröhre in ihrer einfachsten Form berücksichtigt. Betrachten wir die Ableitung der Formel für das Gesetz der Potenz von drei Sekunden für eine Diode mit flachen Elektroden. Wir gehen davon aus, dass die Raumladung q, die alle zur Anode fliegenden Elektronen umfasst, sich so nahe an der Kathode befindet, dass der Abstand zwischen dieser Ladung und der „Anode“ gleich dem Anoden-Kathoden-Abstand dа.к angenommen werden kann . Wenn die Flugzeit der Elektronen entlang der Strecke dа.к. gleich t ist, dann ist der Wert des Anodenstroms gleich: ia, = q/ t. Die Ladung q kann durch die Anodenspannung und die Anoden-Kathoden-Kapazität Saq ausgedrückt werden: q= Sa.k. Ua. Gleichzeitig gilt für den Container Sa.k. wir haben die Formel: Sa.k. = ?0Qа / dа.к., wobei ?0 = 8,86 · 10-16F/m die Dielektrizitätskonstante des Vakuums und Qа die Anodenfläche ist. Bestimmen wir die Flugzeit t durch die Durchschnittsgeschwindigkeit: t= dа. k. / ?ср, aber ?ср = v/2, wobei v die Endgeschwindigkeit ist. Tatsächlich ist die Durchschnittsgeschwindigkeit aufgrund der Inhomogenität des Feldes etwas geringer als die durch die obigen Formeln bestimmte. Aufgrund der Approximation der Ableitung wird der konstante Koeffizient in diesem Ausdruck etwas überschätzt. Eine strengere Herleitung ergibt einen genaueren Wert des konstanten Koeffizienten, aber auch diese Schlussfolgerung basiert auf Annahmen, die nicht der Realität entsprechen. Insbesondere wird angenommen, dass die anfängliche Elektronengeschwindigkeit Null ist und die Potentialverteilung dieselbe wie im Sättigungsbereich ist, obwohl das Drei-Sekunden-Potenzgesetz nur für den Raumladungsbereich gilt. 28. PHYSIKALISCHE PROZESSE IN EINER TRIODE Kathode und Anode funktionieren in einer Triode genauso wie in einer Diode. Im Raumladungsmodus wird nahe der Kathode eine Potentialbarriere gebildet. Wie bei einer Diode hängt die Größe des Kathodenstroms von der Höhe dieser Barriere ab. Die Steuerwirkung des Gitters in der Triode ähnlich der Wirkung einer Anode in einer Diode. Wenn Sie die Netzspannung ändern, ändert sich die vom Netz erzeugte Feldstärke. Unter dessen Einfluss ändert sich die Höhe der Potentialbarriere nahe der Kathode. Folglich ändert sich die Anzahl der Elektronen, die diese Barriere überwinden, d. h. der Wert des Barrierenstroms. Wenn die Gitterspannung auf die positive Seite wechselt, sinkt die Potentialbarriere, eine größere Anzahl emittierter Elektronen überwindet sie, weniger von ihnen kehren zur Kathode zurück und der Kathodenstrom steigt. Und wenn sich die Gitterspannung in die negative Richtung ändert, steigt die Potentialbarriere an der Kathode. Dann wird es in der Lage sein, eine kleinere Anzahl von Elektronen zu überwinden. Die Anzahl der zur Kathode zurückkehrenden Elektronen nimmt zu und der Kathodenstrom ab. Das Gitter wirkt viel stärker auf den Kathodenstrom ein als die Anode, weil es näher an der Kathode angeordnet ist als die Anode und ein Schirm für das elektrische Feld der Anode ist. Das Verhältnis der Einflüsse des Gitters und der Anode auf den Anodenstrom charakterisiert den wichtigsten Parameter der Triode – die Verstärkung. Die Verstärkung ist eine abstrakte Zahl, die angibt, wie oft die Netzspannung den Anodenstrom stärker beeinflusst als die Anodenspannung. Eine relativ kleine negative Gitterspannung kann den Anodenstrom erheblich reduzieren und sogar vollständig stoppen. Eine Erhöhung der Gitterspannung des Gitters geht mit einer Erhöhung der Anoden- und Gitterströme einher. Bei großen positiven Anodengitterspannungen steigt der Gitterstrom so stark an, dass der Anodenstrom sogar abnehmen kann. Die sogenannte Inseleffekt. Aufgrund der inhomogenen Struktur des Gitters ist auch das vom Gitter erzeugte Feld inhomogen und beeinflusst die Potentialbarriere in der Nähe der Kathode in verschiedenen Teilen davon unterschiedlich. Das Gitter hat durch sein Feld eine stärkere Wirkung auf die Potentialbarriere in der Nähe der Teile der Kathode, die näher an den Leitern des Gitters liegen. Die Eigenschaften einer Triode beim Betrieb an Gleichstrom und ohne Last werden genannt statisch. Es gibt theoretische und tatsächliche Eigenschaften von Trioden. Theoretische Eigenschaften können auf der Grundlage des Drei-Sekunden-Gesetzes aufgebaut werden und sind nicht exakt. Tatsächliche Merkmale werden experimentell entfernt. Sie sind genauer. Die Gründe für die Abweichung der tatsächlichen Kennlinien von den theoretischen sind bei der Triode die gleichen wie bei der Diode. Einen wesentlichen Einfluss haben die Temperaturdifferenz an verschiedenen Stellen der Kathode, die Nichtäquipotentialität der Kathode und die zusätzliche Erwärmung der Kathode durch den Anodenstrom. Die Kennlinienbereiche für kleine Anodenströme werden stark von der anfänglichen Elektronengeschwindigkeit, der Kontaktpotentialdifferenz und der Thermo-EMK beeinflusst. Bei einer Triode wirken diese Faktoren stärker als bei einer Diode, da sich ihre Wirkung nicht nur auf den Anodenkreis, sondern auch auf den Gitterkreis erstreckt. 29. WIRKSPANNUNG UND DAS GESETZ DER DREI-SEKUNDEN-POTENZ FÜR DIE TRIOD Betriebsspannung der Triode ermöglicht Ihnen die Berechnung des Trioden-Kathodenstroms, indem Sie die Triode durch eine äquivalente Diode ersetzen. Dieser Ersatz ist wie folgt. Wenn in einer Triode anstelle des Gitters eine Anode angeordnet wird, die dieselbe Oberfläche wie das Gitter einnimmt, dann ist in dieser Diode bei einem Teil ihrer Anodenspannung der Anodenstrom gleich dem Kathodenstrom in der Triode. Die Spannung, die an die Anode einer äquivalenten Diode angelegt wird und darin einen Anodenstrom erzeugt, der gleich dem Kathodenstrom einer echten Diode ist, wird als Effektivspannung id bezeichnet. Seine Wirkung entspricht der kombinierten Wirkung von Gitter- und Anodenspannungen. Das heißt, die Betriebsspannung sollte nahe der Kathode der äquivalenten Diode die gleiche Feldstärke erzeugen, wie sie nahe der Kathode der Triode erzeugt wird. Die Größe der effektiven Spannung wird ungefähr durch die Formel Ud ~ Uc + Dia bestimmt = Uc + Ua /?. Die Gitterspannung wirkt durch ihr eigenes Feld ungeschwächt, und das durch die Anodenspannung im Gitter-Kathoden-Raum erzeugte Feld wird durch die Abschirmwirkung des Gitters geschwächt. Die Abschwächung der Anodenwirkung wird durch die Permeabilität D oder Verstärkung ? gekennzeichnet. Daher kann der Wert von Ua nicht zu Uc addiert werden, sondern muss zunächst mit D multipliziert oder durch ? dividiert werden. (? und D sind nur für ic = 0 reziproke Größen). Die Näherungsformel für Ud ist ungefähr, da sie nicht berücksichtigt, dass das Feld in der Nähe der Kathode inhomogen sein kann. Diese Formel wird in Fällen verwendet, in denen das Netz nicht zu spärlich ist (für D<0,1 oder ?>10). Die effektive Ladung qd sollte gleich der Summe der Ladung q1 sein, die an der Kathode durch die Wirkung des Gitterfeldes erzeugt wird, und der Ladung q2, die durch das Feld erzeugt wird, das das Gitter von der Anode durchdringt. Drücken wir diese Ladungen in Spannungen und Kapazitäten aus: q1= Csk, Uc und q2 = Cac Ua. Die Ladung q2 an der Kathode ist gleich dem kleinen Teil der gesamten Anodenladung, von dem die elektrischen Kraftlinien durch das Gitter zur Kathode verlaufen. Ersetzen wir qD durch die Summe q1 + q2, erhalten wir: ud = (q1 + q2) / Cs.c. \uXNUMXd (CC.c. uc + Ca.c. ua) / Cc.c. = uс + uаСа.к. / Ssk. Lassen Sie uns D = Sa.k bezeichnen. / Ssk. Dann erhalten wir endlich: ud = uc + DUa, Bei einer äquivalenten Diode ist der Anodenstrom gleich dem Kathodenstrom der Triode, und die effektive Spannung spielt die Rolle der Anodenspannung. Daher kann das Gradgesetz von drei Sekunden für eine Triode wie folgt geschrieben werden: ik = dd3/2= g(ist + Duа)3/2. Bedenkt man, dass sich bei der äquivalenten Diode die Anode an der Stelle des echten Triodengitters befindet, beträgt der Koeffizient g für eine Triode mit flachen Elektroden: g = 2,33 10-6(Qа/d2s.k.). Die Anodenfläche der Ersatzdiode ist dabei gleich der Fläche der realen Anode. Das Gesetz der Potenz von drei Sekunden für Trioden ist sehr ungefähr. Wesentlich ist die Ungenauigkeit bei der Bestimmung der Effektivspannung. Dennoch ist das Gesetz der Potenz von drei Sekunden nützlich, um die Theorie des Betriebs der Triode und das Design von Lampen zu betrachten. 30. GITTERSTROM IN EINER TRIODE Aufgrund der Anfangsgeschwindigkeiten der von der Kathode emittierten Elektronen, der Kontaktpotentialdifferenz und der im Gitterkreis wirkenden Thermo-EMK beginnt die Gitterstromkennlinie im kleinen Bereich negative Netzspannungen. Obwohl der Gitterstrom in diesem Bereich sehr klein ist und bei empfangsverstärkenden Lampen kleine Bruchteile von Milliampere beträgt, muss er in vielen Fällen berücksichtigt werden. Netzstromverläufe beginnend im Bereich positiver Netzspannungen sind seltener. Sie werden erhalten, wenn die Kontaktpotentialdifferenz eine negative Spannung am Gitter erzeugt und stärker wirkt als die Anfangsgeschwindigkeit der Elektronen. Bei Lampen, die mit deutlich positiven Netzspannungen betrieben werden, wie beispielsweise Generatoren, steigt bei einer Erhöhung der positiven Netzspannung zunächst der Netzstrom an und erreicht ein Maximum, das teilweise im Bereich negativer Stromwerte liegt. Bei einem weiteren Anstieg der Netzspannung steigt der Strom wieder an. Dieses Phänomen wird durch die Sekundäremission des Gitters erklärt. Beim Aufprall von Primärelektronen bei positiver Gitterspannung werden Sekundärelektronen herausgeschlagen. Wenn die Gitterspannung zunimmt, steigt der Sekundäremissionskoeffizient und der Fluss von Primärelektronen, die das Gitter bombardieren, nimmt zu. Dadurch steigt die Zahl der Sekundärelektronen. Ihr Strom wird zur Anode geleitet, die ein höheres positives Potential hat. Im Gitterkreis tritt ein Strom aus Sekundärelektronen auf, der eine dem Strom der Primärelektronen entgegengesetzte Richtung hat. Der resultierende Gitterstrom nimmt ab und kann sogar die Richtung umkehren, wenn der Sekundäremissionsfaktor größer als 1 ist. In diesem Fall steigt der Anodenstrom, da sich der Strom der Sekundärelektronen zu dem Strom der von der Kathode fliegenden Primärelektronen hinzuaddiert. Das Phänomen des Auftretens eines Stroms von Sekundärelektronen wird genannt Dinatron-Effekt. Wenn die Gitterspannung die Anodenspannung übersteigt, wird das Feld zwischen der Anode und dem Gitter für die Sekundärelektronen des Gitters verzögernd und sie kehren zum Gitter zurück. Andererseits werden die aus der Anode herausgeschlagenen Sekundärelektronen durch dieses Feld beschleunigt und fliegen zum Gitter, d.h. es entsteht ein Dynatroneffekt von der Anodenseite. In diesem Fall erhöht sich zusätzlich der Gitterstrom durch den Sekundärelektronenstrom und der Anodenstrom nimmt etwas ab. Bei einer negativen Netzspannung fließt nur sehr wenig Netzstrom. Er wird Gitterrückstrom genannt, weil seine Richtung der des Gitterstroms entgegengesetzt ist, wenn die Gitterspannung positiv ist (die Rückstromelektronen in den äußeren Drähten des Gitterkreises bewegen sich zum Gitter). Der Rückwärtsgitterstrom hat mehrere Komponenten: Ionenstrom, Tercoil und Leckstrom. Mit abnehmender negativer Spannung des Gitters steigt der Anodenstrom und die Ionisation nimmt zu. Eine größere Anzahl von Ionen nähert sich dem Gitter und der Ionenstrom nimmt zu. Bei positiver Gitterspannung steigt der Elektronenstrom stark an und dominiert so den Ionenstrom, dass dieser praktisch keine Rolle spielt. Wenn das Gitter eine hohe Temperatur hat, kann ein thermionischer Emissionsstrom (thermischer Strom) des Gitters auftreten. Um diesen Strom zu reduzieren, bestehen die Gitter aus Metall mit hoher Austrittsarbeit und niedrigem Sekundäremissionsfaktor. 31. LEISTUNGSMERKMALE DER TRIODE Anode-Gitter-Charakteristik bezeichnet den Graphen der Abhängigkeit des Anodenstroms von der Gitterspannung bei konstanten Werten der Spannung der Anodenquelle und des Lastwiderstands. Im Gegensatz zu den statischen Kennlinien unterliegt die Betriebskennlinie nicht der Bedingung der Konstanz der Anodenspannung, da sie sich im Betriebsmodus ändert. Die Form der Betriebskennlinie und ihre Position hängen von der Größe und Art des Anodenlastwiderstands ab. Um eine Anodengitter-Betriebscharakteristik aufzubauen, muss eine Familie von statischen Anodengitter-Charakteristiken, Anodenquellenspannung und Lastwiderstand spezifiziert werden. Wenn die Anodenspannung gleich der Anodenquellenspannung ist und der Strom Null ist, dann ist die Lampe aus, da nur in diesem Fall kein Spannungsabfall über dem Lastwiderstand stattfindet. Die Arbeitsanode-Gitter-Kennlinie hat eine geringere Steilheit als die statische Kennlinie. Je größer der Anodenstrom ist, desto niedriger wird die Anodenspannung. Daher verläuft die Leistungskurve immer, indem sie die statischen Kurven kreuzt. Die Steigung der Betriebskennlinie hängt vom Lastwiderstand ab. Mit zunehmendem Lastwiderstand sinkt der Anodenstrom und die Leistungskurve wird flacher. Wenn der Lastwiderstand konstant ist, verschiebt sich die Leistungskurve nach rechts, wenn die Anodenquellenspannung abnimmt, oder nach links, wenn die Anodenspannung ansteigt. Anhand der Betriebskennlinie können die Änderungen des Anodenstroms bei einer Änderung der Netzspannung berechnet werden. Auch die Anodenspannung kann ermittelt werden, da jeder Punkt der Betriebskennlinie einer bestimmten Anodenspannung entspricht. Um eine Anodenbetriebscharakteristik aufzubauen, muss eine Familie von statischen Anodencharakteristiken sowie Anodenspannung und Lastwiderstand spezifiziert werden. Die Betriebskennlinie ist die Belastungslinie. Anhand der Lastlinie können Sie den Anodenstrom und die Anodenspannung bei jeder Netzspannung ermitteln. Mit der Ladelinie können Sie andere Probleme lösen. Beispielsweise kann festgestellt werden, bei welcher Gitterspannung der Anodenstrom mit dem gewünschten Wert erhalten wird. Die Arbeitsanoden-Charakteristik hat gegenüber der Anoden-Gitter-Charakteristik einige Vorteile. Da es sich um eine gerade Linie handelt, wird sie auf zwei Punkten aufgebaut und ist genauer. Mit seiner Hilfe ist es bequemer, die Anodenspannung zu bestimmen, da sie entlang der Abszisse aufgetragen ist. Für praktische Berechnungen wird häufiger die Arbeitsanoden-Kennlinie verwendet, obwohl sich in einigen Fällen die Anoden-Gitter-Kennlinie als bequemer herausstellt. Die Steigung der betrachteten Kennlinie hängt vom Lastwiderstand ab. Je größer der Lastwiderstand, desto abgeflachter die Lastlinie. Wenn der Lastwiderstand Null ist, wird die Lastlinie zu einer vertikalen geraden Linie. Wenn die Lastspannung gleich unendlich ist, fällt die Lastlinie mit der Abszissenachse zusammen. In diesem Fall ist der Anodenstrom bei jeder Spannung Null. In einigen Fällen ist es notwendig, eine Anodengitter-Leistungskurve zu erstellen, wenn nur die statischen Eigenschaften der Anode verfügbar sind. 32. GERÄT UND FUNKTION DER TETRODE Vier-Elektroden-Lampen oder Tetroden, haben ein zweites Gitter, das als Abschirmung oder Sieb bezeichnet wird und sich zwischen dem Steuergitter und der Anode befindet. Zweck des Abschirmgitters ist es, die Verstärkung und den Innenwiderstand zu erhöhen und die Durchgangskapazität zu reduzieren. Wenn das Abschirmgitter mit der Kathode verbunden ist, dann schirmt es die Kathode und das Steuergitter von der Wirkung der Anode ab. Das Abschirmgitter fängt den größten Teil des elektrischen Felds der Anode ab. Es kann gesagt werden, dass nur ein kleiner Bruchteil der von der Anode ausgehenden elektrischen Kraftlinien das Siebgewebe durchdringt. Die Schwächung des Anodenfeldes des Abschirmgitters wird durch den Wert der Permeabilität dieses Gitters berücksichtigt. Das durch das Abschirmgitter hindurchtretende elektrische Feld wird dann vom Steuergitter abgefangen, durch das auch ein kleiner Teil der Feldlinien hindurchtritt. Die Schwächung des Anodenfeldes durch das Steuergitter hängt von seiner Permeabilität ab. Durch beide Gitter von der Anode bis zur Potentialbarriere in der Nähe der Kathode dringt ein unbedeutender Teil der Gesamtzahl der Feldlinien ein, der durch das Produkt der Gitterpermeabilitäten gekennzeichnet ist. Diese resultierende Durchlässigkeit beider Gitter wird als Durchlässigkeit der Tetrode bezeichnet. Die Permeabilität der Tetrode charakterisiert das Verhältnis der Einflüsse von Anode und Steuergitter auf den Kathodenstrom. Sie zeigt, welchen Anteil der Wirkung der Steuergitterspannung auf den Kathodenstrom die Wirkung der Anodenspannung hat. Mit Hilfe von zwei nicht sehr dichten Gittern werden eine hohe Verstärkung und ein hoher Innenwiderstand erreicht. Wenn in diesem Fall eine signifikante positive Spannung an das Abschirmgitter angelegt wird, dann werden die Anoden-Gitter-Eigenschaften der Tetrode "verlassen", d. h. die Tetrode kann im Bereich negativer Gitterspannungen normal arbeiten. Der Kathodenstrom in der Tetrode ist die Summe der Ströme von Anode, Abschirm- und Steuergitter. An das Abschirmgitter wird eine konstante positive Spannung angelegt, die 20-50 % der Anodenspannung beträgt. Es entsteht im Abschnitt „Kathode – Abschirmgitter – Beschleunigungsfeld“ und senkt die Potentialbarriere an der Kathode. Dies ist für die Bewegung der Elektronen zur Anode notwendig. Die Anode hat über zwei Gitter einen sehr schwachen Einfluss auf die Potentialbarriere in der Nähe der Kathode. Wenn die Spannung des Abschirmgitters Null ist, ist das durch die negative Spannung des Steuergitters erzeugte Verzögerungsfeld viel stärker als das schwache Beschleunigungsfeld, das von der Anode ausgeht. Das resultierende Feld im Abschnitt „Steuergitter – Kathode“ erweist sich als bremsend. Mit anderen Worten: Die effektive Spannung ist in diesem Fall negativ und die Potentialbarriere an der Kathode ist so hoch, dass Elektronen sie nicht überwinden können. Daher ist die Lampe geschlossen und der Anodenstrom ist Null. Die Kapazität zwischen den Elektroden der Lampe nimmt ungefähr so oft ab, wie die Verstärkung zunimmt. Je dicker das Siebgewebe, desto geringer seine Durchlässigkeit, desto mehr sinkt die Durchsatzleistung. Wenn das Abschirmgitter fest wäre, dann würde die Durchgangskapazität auf Null abnehmen, aber das Gitter würde aufhören, Elektronen zur Anode zu leiten. 33. DYNATRON-EFFEKT IN DER TETRODE Ein wesentlicher Nachteil der Tetrode ist Dinatron-Effekt der Anode. Elektronen, die auf die Anode treffen, schlagen Sekundärelektronen aus ihr heraus. Sekundäremission von der Anode gibt es bei allen Lampen, aber bei Dioden und Trioden verursacht sie keine Folgen und bleibt nicht wahrnehmbar. Bei diesen Lampen kehren die aus der Anode geflossenen Sekundärelektronen alle zu dieser zurück, da die Anode im Vergleich zu den Potentialen anderer Elektroden das höchste positive Potential hat. Daher entsteht kein Strom von Sekundärelektronen. Bei einer Tetrode tritt keine Sekundäremission von der Anode auf, wenn die Spannung des Abschirmgitters kleiner als die Anodenspannung ist. Unter dieser Bedingung kehren Sekundärelektronen zur Anode zurück. Wenn die Tetrode im Lastmodus arbeitet, steigt mit zunehmendem Anodenstrom der Spannungsabfall über der Last an, und die Anodenspannung kann in einigen Zeitintervallen kleiner als die konstante Spannung des Abschirmgitters werden. Dann kehren die aus der Anode fliegenden Sekundärelektronen nicht zu ihr zurück, sondern werden vom Abschirmgitter angezogen, das ein höheres positives Potential hat. Es gibt einen Strom von Sekundärelektronen, der dem Strom von Primärelektronen entgegengesetzt gerichtet ist. Der Anodengesamtstrom sinkt und der Schirmgitterstrom steigt. Dieses Phänomen wird Anoden-Dinatron-Effekt genannt. Der Dinatron-Effekt beeinflusst die Anodeneigenschaften der Tetrode erheblich. Bei einer Anodenspannung von Null gibt es einen sehr kleinen anfänglichen Anodenstrom, der normalerweise vernachlässigt werden kann. Der Schirmgitterstrom ist am höchsten. Genau wie im Rücklaufmodus in der Triode sind in diesem Fall die Elektronen, die durch das Abschirmgitter geflogen sind, zusammen mit den Elektronen, die von diesem Gitter abgefangen werden, an der Erzeugung seines Stroms beteiligt. Ändern der Anodenspannung ändert sich idie Höhe dieser Barriere, wodurch sich die Verteilung des Elektronenflusses zwischen der Anode und dem Abschirmgitter stark ändert. In den Anodeneigenschaften der Tetrode können vier Bereiche festgestellt werden. Der erste Bereich entspricht niedrigen Anodenspannungen bis etwa 10–20 V. Es gibt noch keine Sekundäremission von der Anode, da die Geschwindigkeit der Primärelektronen nicht ausreicht, um Sekundärelektronen herauszuschlagen. Bei einer Erhöhung der Anodenspannung wird ein starker Anstieg des Anodenstroms und ein Abfall des Schirmgitterstroms beobachtet, was typisch für den Rücklaufmodus ist. Die Anodenspannung hat wenig Einfluss auf den Kathodenstrom, da das Anodenfeld über zwei Gitter auf die Potentialbarriere an der Kathode wirkt. Daher ändert sich der Kathodenstrom wenig und seine Charakteristik geht mit einem leichten Anstieg. Wenn die Anodenspannung 10–20 V überschreitet, tritt Sekundäremission auf und es tritt ein Dynatroneffekt auf. Mit steigender Anodenspannung nimmt die Sekundäremission der Anode zu, der Anodenstrom ab und der Abschirmgitterstrom zu. Der minimale Anodenstrom wird mit dem ausgeprägtesten Dynatroneffekt erzielt. In einem solchen Regime ist der Strom von Sekundärelektronen am größten. Dieser Strom hängt von der Größe der Sekundäremission und der Spannung der Abschirmgitteranode ab, die ein Beschleunigungsfeld für die Sekundärelektronen erzeugt. Wenn die Anodenspannung höher als die Schirmgitterspannung wird, gibt es einen leichten Anstieg des Anodenstroms und einen leichten Abfall des Schirmgitterstroms. In diesem Bereich existiert eine Sekundäremission von der Anode, aber die Sekundärelektronen kehren alle zur Anode zurück, d. h. es gibt keinen Dynatroneffekt von der Anode. Andererseits treffen aus dem Abschirmgitter herausgeschlagene Sekundärelektronen auf die Anode, wodurch der Anodenstrom etwas ansteigt und der Strom des Abschirmgitters abnimmt. Um den Dynatroneffekt zu vermeiden, muss die Schirmgitterspannung immer kleiner als die Anodenspannung sein. 34. GERÄT UND BETRIEB DES PENTOD Der Hauptnachteil der Tetrode - der Dynatroneffekt - führte zur Entwicklung und weit verbreiteten Verwendung von Fünf-Elektroden-Lampen, sogenannte Pentoden. In ihnen kommen alle positiven Eigenschaften von Tetroden noch stärker zur Geltung und gleichzeitig wird der Dynatroneffekt eliminiert. In der Pentode befindet sich zur Beseitigung des Dynatroneffekts ein weiteres Gitter zwischen der Anode und dem Abschirmgitter. Es wird als Schutzgitter bezeichnet, da es die Lampe vor dem Auftreten des Dynatron-Effekts schützt. Es gibt auch andere Namen für dieses Gitter: Antidynatron, Antidynatron, Pentode, Terz. Das Schutzgitter ist üblicherweise mit der Kathode verbunden, dh es hat ein Nullpotential gegenüber der Kathode und ein negatives gegenüber der Anode. In einigen Fällen wird eine kleine Gleichspannung an das Schutzgitter angelegt. Beispielsweise arbeiten Generatorpentoden zur Erhöhung der Nutzleistung mit einer positiven Spannung am Schutzgitter, und um Schwingungen durch Änderung der Spannung des Schutzgitters zu modulieren, wird daran eine negative Vorspannung angelegt. Aber auch in diesen Fällen bleibt das Schutzgitterpotential in der Regel deutlich niedriger als das Anodenpotential und die Antidynatronwirkung dieses Gitters ist etwa die gleiche wie bei seinem Nullpotential. Bei vielen Pentoden ist das Schutzgitter mit der Kathode innerhalb der Lampe verbunden, und dann ist die Spannung an diesem Gitter immer Null. Wenn ein Schutzgitterausgang vorhanden ist, erfolgt die Verbindung mit der Kathode bei der Installation der Schaltung. Die Rolle des Schutzgitters besteht darin, dass zwischen ihm und der Anode ein elektrisches Feld erzeugt wird, das die aus der Anode herausgeschlagenen Sekundärelektronen verlangsamt, stoppt und zur Anode zurückführt. Sie können das Abschirmgitter nicht durchdringen, selbst wenn dessen Spannung höher als die Anodenspannung ist, und der Dynatroneffekt wird vollständig eliminiert. Im Bereich zwischen der Abschirmung und den Schutzgittern für von der Kathode fliegende Elektronen wird ein Verzögerungsfeld erzeugt, und es scheint, als würde dies zu einer Verringerung des Anodenstroms führen. Die Elektronen, die unter der Wirkung des Beschleunigungsfeldes des Abschirmgitters eine hohe Geschwindigkeit erhalten haben und durch dieses hindurchfliegen, erreichen jedoch das Schutzgitter und verlieren ihre Geschwindigkeit nicht vollständig, da im Raum zwischen den Windungen dieses Gitters das Potential liegt ist nicht Null, sondern positiv. An den Leitern des Schutzgitters liegt Nullpotential, in den Zwischenräumen ist das Potential höher als Null, aber niedriger als an der Anode. Im Spalt zwischen Anode und Abschirmgitter entsteht eine sekundäre Potentialbarriere, die von aus der Anode herausgeschlagenen Sekundärelektronen nicht überwunden werden kann. Diese Barriere beeinflusst den Prozess der Stromverteilung in der Pentode erheblich. Pentoden unterscheiden sich von Tetroden durch eine höhere Verstärkung, die bei einigen Pentoden mehrere Tausend erreicht. Dies liegt daran, dass das Schutzgitter als zusätzliches Abschirmgitter wirkt. Daher ist bei der Pentode die Wirkung der Anode im Vergleich zur Wirkung des Steuergitters noch schwächer als bei der Tetrode. Dementsprechend steigt auch der Innenwiderstand, der bei manchen Pentoden Millionen Ohm erreicht. Die Durchgangskapazität wird sogar kleiner als die von Tetroden. Die Steilheit der Pentoden liegt in der gleichen Größenordnung wie die von Trioden und Tetroden, also innerhalb von 1-50 mA/V. Die Pentode kann auf die gleiche Weise wie die Tetrode in eine entsprechende Diode umgewandelt werden. Die Permeabilität einer Pentode ist ein sehr kleiner Wert. Folglich kann die Pentodenverstärkung sehr groß sein. 35. PARAMETER VON TETRODEN UND PENTODEN Statische Parameter von Tetroden und Pentoden werden ähnlich wie die Parameter der Triode bestimmt. Für die praktische Bestimmung der Parameter wird das Verhältnis endlicher Inkremente genommen. Das Steuergitter ist bei Tetroden und Pentoden wie bei Trioden relativ zur Kathode angeordnet. Daher ist die Steilheit von Tetroden und Pentoden von der gleichen Größenordnung wie die von Trioden, d.h. h. Einheiten oder zehn Milliampere pro Volt, obwohl eine gewisse Verringerung der Steigung erhalten wird aufgrund der Tatsache, dass der Anodenstrom immer kleiner als der Kathodenstrom ist. Aufgrund der Tatsache, dass die Wirkung der Anodenspannung in der Tetrode oder Pentode um ein Vielfaches geschwächt wird, ist der Innenwiderstand zehn- und hundertmal größer als der der Tetrode und erreicht Hunderte von Kiloohm. Der Innenwiderstand hängt stark vom Stromverteilungsprozess ab, da sich bei Änderung der Anodenspannung durch diesen Prozess auch der Anodenstrom ändert. Wir können davon ausgehen, dass der Innenwiderstand der Pentode aus zwei parallel geschalteten Widerständen besteht. Einer von ihnen wird durch die Wirkung des Anodenfeldes durch die drei Gitter auf die Potentialbarriere an der Kathode bestimmt, wodurch sich der Anodenstrom nur sehr geringfügig ändert. Je dicker das Gitter ist, desto größer ist dieser Widerstand. Der zweite Widerstand wird durch die Änderung des Anodenstroms aufgrund des Stromverteilungsprozesses bestimmt und ist normalerweise viel kleiner als der erste Widerstand. Der Verstärkungsfaktor kann Zehn- und Hunderttausendmal größer sein als der von Trioden, d.h. sein Wert erreicht Hunderttausende. Bei Tetroden und Pentoden ist der Kathodenstrom immer größer als der Anodenstrom, da neben dem Anodenstrom immer auch der Schirmgitterstrom vorhanden ist. Aufgrund der signifikanten nichtlinearen Eigenschaften von Tetrode und Pentode ändern sich die Parameter ziemlich stark, wenn der Modus geändert wird. Mit zunehmender negativer Spannung des Steuergitters, d. h. mit abnehmendem Anodenstrom, nimmt die Steilheit ab und der Innenwiderstand und die Verstärkung nehmen zu. Ein Merkmal von Tetroden und Pentoden gegenüber Trioden ist die starke Abhängigkeit der Verstärkung von der Mode. Wenn die Eigenschaften im Rückgabemodus miteinander verflochten sind, können Steigung und Verstärkung Werte gleich Null und kleiner Null haben. Mit zunehmender negativer Spannung des Steuergitters werden die Anodenkennlinien im Arbeitsbereich flacher und näher beieinander, was einer Erhöhung des Innenwiderstands und einer Verringerung der Steigung entspricht. In einigen Schaltungen wird eine Tetrode oder Pentode verwendet, so dass ihr Triodenteil, bestehend aus einer Kathode, einem Steuergitter und einem Schirmgitter, in einer Stufe arbeitet und die gesamte Lampe Teil einer anderen Stufe ist. Steilheit und Verstärkung des Abschirmgitters sind in der Regel nicht von Interesse, da das Abschirmgitter in der Regel nicht als Steuergitter verwendet wird und die Spannung darauf konstant ist. Zusätzlich zu den betrachteten Parametern gibt es andere, die denen ähneln, die für die Triode angegeben sind. Bei der Berechnung der Betriebsarten und der praktischen Anwendung von Tetroden und Pentoden sind die Grenzwerte von Strömen, Spannungen und Leistungen zu berücksichtigen, insbesondere ist die am Schirmgitter abgegebene Grenzleistung wichtig. 36. GERÄT UND FUNKTION DER STRAHLTETRODE Später wurden Pentoden entwickelt und vermehrt Strahl-Tetroden. Bei ihnen wird der Dynatroneffekt eliminiert, indem zwischen dem Abschirmgitter und der Anode eine unüberwindbare Potentialbarriere für aus der Anode herausgeschlagene Sekundärelektronen geschaffen wird. Strahl-Tetrode im Vergleich zu herkömmlichen Tetrode hat die folgenden Konstruktionsmerkmale. Der Abstand zwischen Abschirmgitter und Anode wurde vergrößert. Steuer- und Abschirmgitter haben die gleiche Windungszahl, und ihre Windungen liegen genau gegenüber. Im Raum zwischen den Gittern konzentrieren sich die Elektronenströme. Dadurch fliegen Elektronen in dichteren Strahlen – „Strahlen“ – von der Kathode zur Anode. Um zu verhindern, dass Elektronen in Richtung der Gitterhalter fliegen, sind mit der Kathode spezielle Schirme bzw. Strahlformungsplatten verbunden. Darüber hinaus sind die an den Gitterhaltern anliegenden Teile der Kathodenoberfläche nicht mit einer Oxidschicht bedeckt und emittieren daher nicht. Eine Strahltetrode erzeugt dichtere Elektronenströme als eine herkömmliche Tetrode. Eine Erhöhung der Stromdichte führt zu einer Erhöhung der Raumladungsdichte. Dies wiederum führt zu einer Verringerung des Potentials im Raum zwischen Anode und Abschirmgitter. Wenn die Anodenspannung niedriger ist als die des Abschirmgitters, wird bei einer herkömmlichen Tetrode ein Dynatroneffekt beobachtet, bei einer Strahltetrode tritt er jedoch nicht auf, da im Spalt „Abschirmgitter – Anode“ eine Potentialbarriere für Sekundärelektronen entsteht . Sekundärelektronen, die relativ niedrige Anfangsgeschwindigkeiten haben, können die Potentialbarriere nicht überwinden und das Abschirmgitter erreichen, obwohl die Spannung an diesem höher ist als an der Anode. Die Primärelektroden, die aufgrund der Spannung des Abschirmgitters hohe Geschwindigkeiten haben, überwinden die Potentialbarriere und fallen auf die Anode. Bei herkömmlichen Tetroden "bricht" das Abschirmgitter die Elektronenströme und fängt viele Elektronen ab. Den gleichen Effekt haben Gitterhalter. Daher werden in gewöhnlichen Tetroden keine ausreichend dichten Elektronenflüsse erhalten und die notwendige Potentialbarriere für Sekundärelektronen wird nicht erzeugt. Die Bildung einer Potentialbarriere wird durch einen vergrößerten Abstand zwischen dem Abschirmgitter und der Anode erleichtert. Je größer dieser Abstand ist, desto mehr gehinderte Elektronen mit geringen Geschwindigkeiten befinden sich hier. Es sind diese Elektronen, die die negative Volumenladung erhöhen, und die Abnahme des Potentials wird signifikanter. Der Vorteil von Balken-Tetroden gegenüber konventionellen Tetroden ist auch ein deutlich geringerer Schirmgitterstrom. Es ist nutzlos und seine Reduzierung ist höchst wünschenswert. Bei Strahltetroden fliegen Elektronen durch die Lücken des Abschirmgitters und werden von diesem fast nicht abgefangen. Daher beträgt der Schirmgitterstrom nicht mehr als 5–7 % des Anodenstroms. Die Anodengitter-Eigenschaften von Strahl-Tetroden sind die gleichen wie die herkömmlicher Tetroden oder Pentoden. In leistungsstarken Nieder- und Hochfrequenz-Verstärkungsstufen ersetzen Beam-Tetroden erfolgreich Pentoden. Um eine verbesserte Leistung zu erzielen, werden Balkenpentoden hergestellt. Ihre Gitter ähneln denen einer Balken-Tetrode, durch die Lücken im Schutzgitter fliegen die Elektronen strahlenförmig zur Anode. Daher ist bei Balkenpentoden der Schirmgitterstrom viel geringer als bei herkömmlichen Pentoden. 37. PRINZIP DER FREQUENZUMWANDLUNG Frequenzumwandlung ist jede Änderung der Frequenz. Wenn Sie beispielsweise einen Wechselstrom mit einer Frequenz gleichrichten, wird er zu einem Gleichstrom, bei dem die Frequenz Null ist. In Generatoren wird Gleichstromenergie mit einer Frequenz gleich Null in Wechselstromenergie der gewünschten Frequenz umgewandelt. Die Hilfsspannung wird von einem sogenannten Kleinleistungsgenerator bezogen heterodyn. Am Ausgang des Wandlers entsteht eine Schwingung mit einer neuen gewandelten Frequenz, die als Zwischenfrequenz bezeichnet wird. Als Frequenzumrichter muss ein nichtlineares oder parametrisches Gerät verwendet werden. Wenn der Frequenzumrichter ein lineares Gerät wäre, würde er einfach zwei Schwingungen hinzufügen. Beispielsweise würde die Addition von zwei Schwingungen mit nahen, aber nicht mehreren Frequenzen Schwebungen ergeben, d. h. eine komplexe Schwingung, bei der sich die Frequenz innerhalb gewisser Grenzen um den Mittelwert ändern würde und die Amplitude sich mit einer Frequenz gleich der Frequenz ändern würde Unterschied. Solche Schwebungen enthalten keine Komponentenschwingung mit einer neuen Frequenz. Wenn die Schwebungen jedoch erkannt (gleichgerichtet) werden, erscheint aufgrund der Nichtlinearität dieses Prozesses eine Komponente mit einer Zwischenfrequenz. Am Ausgang des Frequenzumrichters wird eine komplexe Schwingung erhalten, die Komponenten vieler Frequenzen aufweist. Alle neuen Frequenzen, die Kombinationen von Frequenzen und ihren Harmonischen sind, werden Kombinationsfrequenzen genannt. Durch Auswahl einer geeigneten Hilfsfrequenz kann eine neue Frequenz erreicht werden.! Unter den neuen Frequenzen sind die Harmonischen der ursprünglichen Schwingungen mit Frequenzen, die um ein Vielfaches höher sind als die ursprünglichen. Sie können jedoch leichter mit einer nichtlinearen Verzerrung einer der Eingangsspannungen erhalten werden. Das Vorhandensein von zwei Spannungen für das Auftreten von Oberschwingungen ist nicht erforderlich. In der Regel sind die Amplituden von Kombinationsschwingungen (und Harmonischen) umso kleiner, je höher die Frequenzwerte sind. Daher wird in den meisten Fällen die Schwingung der Differenzfrequenz und manchmal der Gesamtfrequenz als Schwingung einer neuen Zwischenfrequenz verwendet. Kombinationsfrequenzen höherer Ordnung werden selten verwendet. Die Frequenzumsetzung in Funkempfängern wird in den meisten Fällen so durchgeführt, dass beim Empfang von Signalen verschiedener Funkstationen, die auf unterschiedlichen Frequenzen arbeiten, Schwingungen derselben Zwischenfrequenz erzeugt werden. Dadurch lassen sich eine hohe Verstärkung und eine hohe Selektivität erzielen, die über den gesamten Frequenzbereich der empfangenen Signale nahezu konstant bleiben. Außerdem wird bei konstanter Zwischenfrequenz ein stabilerer Betrieb der Verstärkerstufen erreicht und sie sind viel einfacher aufgebaut als Stufen, die für einen Frequenzbereich ausgelegt sind. In Funkempfängern und Funkmessgeräten wird meistens die Differenzfrequenz als Zwischenfrequenz verwendet und die Hilfsfrequenz ist meist höher als die gewandelte Signalfrequenz. Diese Frequenzbeziehung ist notwendig, wenn die Zwischenfrequenz höher als die Signalfrequenz sein soll. 38. LAMPEN ZUR FREQUENZUMWANDLUNG Zur Frequenzumwandlung werden verschiedene nichtlineare oder parametrische Geräte verwendet. Beispielsweise arbeiten in Empfängern für Dezimeter- und Zentimeterwellen Vakuum- oder Halbleiterdioden in Frequenzumformern. Trioden werden verwendet, um Frequenzen im Dezimeter- und Meterwellenbereich umzuwandeln. Transformation wird wie folgt durchgeführt. An die Lampe wird eine Spannung mit den Frequenzen des Signals und der Hilfsfrequenz angelegt. Gleichzeitig mit diesen Frequenzen pulsiert dann der Anodenstrom der Lampe. Aufgrund der Tatsache, dass die Lampe ein nichtlineares oder parametrisches Gerät ist, erscheinen Komponenten mit Kombinationsfrequenzen in ihrem Anodenstrom. Ein Anodenschwingkreis wird auf einen von ihnen abgestimmt, normalerweise auf den Differenzkreis. Er ist nur für den resonanzfrequenten Strom hochohmig und erzeugt nur mit einer Zwischenfrequenz eine verstärkte Spannung. Somit hebt die Schaltung die Schwingungen der Zwischenfrequenz hervor. In Frequenzumsetzerschaltungen ist es erforderlich, die Verbindung zwischen den eingehenden Signalschaltungen und den lokalen Oszillatorschaltungen nach Möglichkeit zu eliminieren. Normalerweise gibt es in beiden Schwingkreise. Besteht eine Verbindung zwischen ihnen, kommt es zu einer Beeinflussung eines Kreises auf einen anderen, einer Verletzung ihrer korrekten Abstimmung, einer Verschlechterung der Stabilität der Lokaloszillatorfrequenz und, in Ermangelung eines Hochfrequenzverstärkers, zu einer Störabstrahlung der lokalen Oszillatorschwingungen und in Abwesenheit eines Hochfrequenzverstärkers eine parasitäre Abstrahlung der lokalen Oszillatorschwingungen durch die Empfangsantenne. Bei Verwendung einer Triode werden die Signal- und LO-Spannungen an die Gitterschaltung angelegt, was zu einer erheblichen Kopplung zwischen den Signal- und LO-Schaltungen führt. Ein ähnliches Verfahren der Frequenzumsetzung wird aufgerufen einzelnes Gitter. Die Dämpfung der Kopplung zwischen Signal und lokalen Oszillatorschaltungen wird durch Doppelgitter-Frequenzumwandlung erreicht, die bei Verwendung als doppelt gesteuerte Röhre mit einer Pentode erreicht werden kann. In diesem Fall kommt es im Elektronenfluss innerhalb der Lampe zu einer Addition von Signal- und Lokaloszillatorschwingungen, da die Schwingungen auf unterschiedliche Gitter wirken. Die Signalspannung wird dem Steuergitter zugeführt und die Lokaloszillatorspannung wird dem Schutzgitter zugeführt, das als zweites Steuergitter dient. Bleibt die Spannung dieses Gitters deutlich unter der minimalen Anodenspannung, so fungiert es immer noch als Schutzgitter. Das Abschirmgitter eliminiert die parasitäre kapazitive Kopplung zwischen den Signal- und lokalen Oszillatorschaltungen nahezu vollständig. Die Lampe, in der die Frequenzumwandlung durchgeführt wird, wird manchmal als bezeichnet Mischen, da darin zwei Schwingungen mit unterschiedlichen Frequenzen addiert werden und die Kaskade, in der diese Lampe arbeitet, genannt wird Rührgerät. Die Frequenzumsetzung besteht also aus einem Mischer und einem lokalen Oszillator, die jeweils eine eigene Lampe haben müssen. Mehrelektrodenlampen mit Doppelsteuerung zur Frequenzumwandlung – Heptoden – verfügen über zwei Steuergitter und arbeiten gleichzeitig in einem Mischer und einem lokalen Oszillator, d. h. sie ersetzen zwei Lampen; sie werden in Mittel- und Kurzwellenempfängern verwendet, funktionieren aber nicht gut UKW. Die Heptode hat fünf Gitter. Der Vorteil von Heptoden ist das Vorhandensein eines Schutzgitters, wodurch sich der Innenwiderstand der Lampe erhöht. Wenn Heptoden bei Wellenlängen kleiner als 20 m arbeiten, erweist sich die Stabilität der lokalen Oszillatorfrequenz als unzureichend und es ist notwendig, einen lokalen Oszillator mit einer separaten Lampe zu verwenden, d. h. die Heptode nur als Mischung und nicht als Umwandlung zu verwenden Lampe. Auf diesen Wellen liefern Pentoden und Trioden in Frequenzumrichtern die besten Ergebnisse. 39. EIGENSCHAFTEN UND PARAMETER VON LAMPEN MIT DOPPELTER STEUERUNG alle Multigrid-Lampen mit doppelter Steuerung Sie verfügen über ein Abschirmgitter und ähneln Pentoden oder Tetroden, denen Gitter hinzugefügt werden, die einen Triodenteil (Heterodynteil) bilden. In ihren Eigenschaften und Parametern ähneln diese Lampen Pentoden und Tetroden, und in den Eigenschaften und Parametern des Triodenteils ähneln sie herkömmlichen Trioden. Darüber hinaus verfügen Doppelkontrollleuchten aufgrund des Vorhandenseins von zwei Steuergittern über zusätzliche Eigenschaften und Parameter. Der Anodenstrom steigt mit einer positiven Änderung der Spannungen beider Gitter. Die Steilheit entlang des ersten Gitters ist umso größer, je höher die Gitterspannung ist. Ändert sich die Spannung in positiver Richtung, dann sinkt die Potentialbarriere an der Kathode und immer mehr Elektroden überwinden diese Barriere. Entsprechend steigen der Kathodenstrom, der Anodenstrom und der Abschirmgitterstrom. Wenn sich die Spannung ändert, ändert sich die Stromverteilung zwischen Anode und Gitter, ähnlich wie es bei der Pentode beobachtet wird, wenn sich die Spannung ihres Schutzgitters ändert. Die doppelte Steuerung des Anodenstroms beruht auf der Tatsache, dass eine Änderung der Spannung an einem Steuergitter die Steigung der Kennlinie am anderen Steuergitter verändert. Aufgrund der Änderung der Steigung, dem Hauptparameter, der die Steuerwirkung des Netzes charakterisiert, unter dem Einfluss der Spannung eines anderen Steuergitters ist die Lampe ein parametrisches Gerät, das zur Frequenzumwandlung geeignet ist. Der Vorgang der Frequenzumsetzung in einer Doppelkontrolllampe lässt sich anhand des Heptoden-Kennfeldes erklären. Da der Anodenschwingkreis auf eine Zwischenfrequenz abgestimmt ist und bei den Signal- und Lokaloszillatorfrequenzen niederohmig ist, arbeitet die Lampe bei Schwingungen dieser Frequenzen praktisch im Leerlauf und Änderungen des Anodenstroms werden aus statischen Kennwerten bestimmt. Der wichtigste Parameter, der frequenzkonvertierende Lampen charakterisiert, ist die Konversionssteilheit. Sie repräsentiert das Verhältnis der Amplitude der ersten Harmonischen des veränderlichen Anteils der Zwischenfrequenz, erhalten im Anodenstrom, zur Amplitude der Signalspannung. In diesem Fall sind die Spannungen an den Abschirm- und Schutzgittern und der Anode konstant. Die Steilheit der Wandlung nimmt mit zunehmender Amplitude der Lokaloszillatorspannung zu. Viele Frequenzumrichterröhren haben erweiterte Kennlinien zur automatischen Verstärkungsregelung der Wandlerstufe. Beim Empfang starker Signale, also bei Verschiebung des Arbeitspunktes in die unteren nichtlinearen Kennlinienbereiche, steigen dann aber die Amplituden der Kombinationsschwingungen stark an, was zu Störungen im Empfänger führen kann. In modernen Geräten werden kombinierte Lampen verwendet, die zwei und manchmal drei oder vier separate Elektrodensysteme in einem Zylinder haben. Die Verwendung solcher Lampen reduziert die Abmessungen der Ausrüstung und vereinfacht die Installation. In schematischen Darstellungen von kombinierten Lampen sind der Einfachheit halber oft nur ein Heizelement und eine Kathode gezeigt. In vielen Lampen, insbesondere solchen, die für hohe Frequenzen ausgelegt sind, werden Abschirmungen installiert, um parasitäre kapazitive Kopplungen zwischen einzelnen Elektrodensystemen zu eliminieren. Das Design der Elektroden kombinierter Lampen ist unterschiedlich. Oft gibt es separate Elektrodensysteme mit Schirm. Bei einigen Lampen wird eine gemeinsame Kathode hergestellt, und die Elektronenströme, die von verschiedenen Teilen ihrer Oberfläche kommen, werden jeweils in ihrem eigenen Elektrodensystem verwendet. Es ist möglich, Elektrodensysteme mit Trenngittern entlang der gemeinsamen Kathode zu installieren. 40. BESONDERE ARTEN VON EMPFANGS- UND VERSTÄRKERLAMPEN Steigende Steilheit wird durch die Reduzierung des Gitter-Kathoden-Abstands auf mehrere zehn Mikrometer erreicht. Allerdings ist die Herstellung von Lampen mit kleinem Gitter-Kathoden-Abstand schwierig und nicht zuverlässig genug, da bei der unebenen Oberfläche der Oxidkathode die Gefahr eines Gitterkurzschlusses besteht. Eine andere Methode zur Erhöhung der Transkonduktanz besteht darin, ein Kathodengitter zu verwenden, das zwischen dem Steuergitter und der Kathode angeordnet ist und ein gewisses positives Potenzial aufweist. Von der Kathode emittierte Elektronen werden vom Kathodengitter beschleunigt, fliegen in dessen Lücken und erzeugen in sehr kurzer Entfernung vom Steuergitter einen Bereich erhöhter Raumladungsdichte und eine zweite Potentialbarriere. Die Spannung des Steuergitters hat großen Einfluss auf dessen Höhe. Dadurch kann das Steuergitter den Elektronenfluss sehr effizient steuern. Bei Lampen mit Sekundäremission wird eine deutliche Steigerung der Transkonduktanz erreicht. Die Nutzung der Sekundäremission in Lampen wird seit langem erforscht, doch war es lange Zeit nicht möglich, solche Lampen zu konstruieren, die stabil arbeiten und selbst nicht zu viel Lärm erzeugen. Der Grund für dieses Geräusch ist die Ungleichmäßigkeit des Sekundäremissionsprozesses. Es wurden neue Legierungen von Schwermetallen mit Leichtmetallen, beispielsweise Kupfer mit Beryllium, gefunden, die hohe und stabile Sekundäremissionen ergeben. Bei ihrer Verwendung verringert sich die Geräuschentwicklung, sie ist jedoch immer noch höher als bei herkömmlichen Lampen. Lampen mit Sekundäremission haben eine zusätzliche Elektrode - eine Sekundäremissionskathode (Dynode). An ihn wird ein positives Potential angelegt, kleiner als an die Anode. Von der Kathode fliegende Primärelektronen treffen auf die Sekundäremissionskathode und schlagen daraus Sekundärelektronen heraus, die zur Anode fliegen, die ein höheres positives Potential hat. Der Sekundärelektronenfluss ist um ein Vielfaches größer als der Sekundärelektronenfluss. Deshalb ist die Steilheit der Lampe hoch. Der Strom der Sekundäremissionskathode ist etwas kleiner als der Anodenstrom und hat im äußeren Teil des Stromkreises eine dem Anodenstrom entgegengesetzte Richtung. Die Steilheit der Lampe bezogen auf den Strom der Sekundäremissionskathode ist üblicherweise etwas geringer als die Steilheit bezogen auf den Anodenstrom. Die Elektronen des Anodenstroms bewegen sich entlang des Leiters des äußeren Teils des Anodenkreises von der Anode, und die Elektronen des Stroms der Sekundäremissionskathode im Außenkreis bewegen sich zu dieser Kathode, da innerhalb der Lampe mehr Sekundärelektronen austreten es als primäre dazu kommen. Wenn eine Wechselspannung an das Gitter angelegt wird, erhalten die Lastwiderstände, die in den Schaltungen dieser Elektroden enthalten sind, aufgrund der entgegengesetzten Richtungen der Ströme der Anode und der Sekundäremissionskathode verstärkte Wechselspannungen, die gegenphasig sind. Die normale Verstärkungsstufe kehrt die Phase der Spannung um. Und im Stromkreis der Sekundäremissionskathode wird eine verstärkte Spannung erhalten, die phasengleich mit der Wechselspannung des Gitters zusammenfällt. Diese Eigenschaft macht es sehr einfach, eine positive Rückkopplung zwischen den Schaltkreisen der Sekundäremissionskathode und dem Steuergitter zu implementieren, um Schwingungen verschiedener Formen zu erzeugen, die Verstärkung zu erhöhen, die Bandbreite der übertragenen Schwingungen zu verringern und für andere Zwecke. Es werden Subminiatur-Empfangsverstärker-Metallkeramik-Trioden und -Tetroden hergestellt, genannt Nuvistoren. Sie wurden entwickelt, um Frequenzen zu verstärken, zu erzeugen und umzuwandeln. Sie haben einen Miniatur-Keramik-Metall-Zylinder. 41. ARTEN DER ELEKTRISCHEN ENTLADUNG IN GASE Unterscheiden Sie zwischen unabhängigen und nicht selbsterhaltenden Entladungen in einem Gas. Selbstentladung nur durch elektrische Spannung unterstützt. Nicht-Selbstentladung vorhanden sein, sofern neben der elektrischen Spannung einige andere äußere ionisierende Faktoren vorhanden sind. Dies können Lichtstrahlen, radioaktive Strahlung, thermionische Emission einer erhitzten Elektrode usw. sein. Betrachten wir die Haupttypen elektrischer Entladungen, die in Ionengeräten vorkommen. Dunkle (oder leise) Entladung ist nicht selbsterhaltend. Es ist durch Stromdichten in der Größenordnung von Mikroampere pro Quadratzentimeter und eine sehr geringe Volumenladungsdichte gekennzeichnet. Das durch die angelegte Spannung erzeugte Feld ändert sich bei einer Dunkelentladung durch Raumladungen praktisch nicht, d.h. ihr Einfluss kann vernachlässigt werden. Es gibt kein Gasglühen. In Ionengeräten für die Funkelektronik wird keine Dunkelentladung verwendet, sie geht jedoch dem Einsetzen anderer Arten von Entladungen voraus. Glimmentladung bezieht sich auf unabhängig. Es zeichnet sich durch das Glühen von Gas aus, das an das Glühen eines glimmenden Körpers erinnert. Die Stromdichte während dieser Entladung erreicht Einheiten und zehn Milliampere pro Quadratzentimeter, und es werden Raumladungen erhalten, die das elektrische Feld zwischen den Elektroden erheblich beeinflussen. Die für eine Glimmentladung erforderliche Spannung beträgt mehrere zehn oder hundert Volt. Die Entladung wird aufgrund der Elektronenemission der Kathode unter dem Aufprall von Ionen aufrechterhalten. Die wichtigsten Glimmentladungsgeräte sind Zenerdioden - Ionenspannungsstabilisatoren, Gaslichtlampen, Glimmentladungs-Thyratrons, digitale Anzeigelampen und Dekatrons - Ionenzählgeräte. Eine Bogenentladung wird bei viel höheren Stromdichten als bei einer Glimmentladung erhalten. Nicht selbsterhaltende Bogenentladungsvorrichtungen umfassen Gastrons und Heißkathoden-Thyratrons; bei Quecksilberventilen (Exitronen) und Ignitronen mit flüssiger Quecksilberkathode sowie bei Gasentladungsapparaten tritt eine eigenständige Bogenentladung auf. Die Bogenentladung kann nicht nur bei reduziertem, sondern auch bei normalem oder erhöhtem Atmosphärendruck erfolgen. Eine Funkenentladung ähnelt einer Bogenentladung. Es handelt sich um eine kurzzeitige (Impuls-) elektrische Entladung bei relativ hohem Gasdruck, beispielsweise bei normalem Atmosphärendruck. Üblicherweise beobachtet man in einem Funken eine Reihe aufeinanderfolgender gepulster Entladungen. Hochfrequente Entladungen können in einem Gas unter Einwirkung eines elektromagnetischen Wechselfeldes auch ohne stromführende Elektroden auftreten (elektrodenlose Entladung). Die Koronaentladung ist unabhängig und wird in Ionengeräten zur Spannungsstabilisierung verwendet. Es wird bei relativ hohen Gasdrücken in Fällen beobachtet, in denen mindestens eine der Elektroden einen sehr kleinen Krümmungsradius hat. Dann erweist sich das Feld zwischen den Elektroden als inhomogen und in der Nähe der spitzen Elektrode, Korona genannt, steigt die Feldstärke stark an. Koronaentladung tritt bei einer Spannung in der Größenordnung von Hunderten oder Tausenden von Volt auf und ist durch niedrige Ströme gekennzeichnet. 42. GLÜHENTLADUNG Stellen Sie sich eine Glimmentladung zwischen flachen Elektroden vor. In Abwesenheit einer Entladung, wenn keine volumetrischen Entladungen vorhanden sind, ist das Feld gleichmäßig und das Potential zwischen den Elektroden ist gemäß einem linearen Gesetz verteilt. In einem elektronischen (Vakuum-)Gerät gibt es bei Vorhandensein einer Emission eine negative Raumladung, die eine Potentialbarriere in der Nähe der Kathode erzeugt. Diese Barriere verhindert, dass ein großer Anodenstrom erzeugt wird. In einem Ionengerät mit Glimmentladung entsteht aufgrund der großen Anzahl positiver Ionen eine positive Raumladung. Es bewirkt eine Potentialänderung im Anoden-Kathoden-Raum in positiver Richtung. In einer Ionenvorrichtung ist die Potentialverteilung so, dass fast die gesamte Anodenspannung in einer dünnen Gasschicht nahe der Kathode abfällt. Dieser Bereich heißt Kathodenteil der Entladungsstrecke. Seine Dicke hängt nicht vom Abstand zwischen den Elektroden ab. In der Nähe der Kathode entsteht ein starkes Beschleunigungsfeld. Die Anode nähert sich sozusagen der Kathode. Die Rolle der Anode übernimmt eine Ionenwolke mit positiver Ladung, die über der Kathode „hängt“. Dadurch wird der Effekt der negativen Raumladung kompensiert und es entsteht keine Potentialbarriere in der Nähe der Kathode. Der zweite Teil der Entladungsstrecke ist durch einen kleinen Spannungsabfall gekennzeichnet. Die Feldstärke darin ist gering. Es wird der Bereich des Gases oder des Elektron-Ion-Plasmas genannt. Ein an die Anode angrenzender und durch die Anode verursachter Teil der Entladungsstrecke, bzw. der Bereich des Anodenpotentialabfalls, ist von dieser isoliert. Der Bereich zwischen den Kathoden- und Anodenteilen wird als Entladungssäule bezeichnet. Der Anodenteil ist nicht wichtig, und man kann die Entladungssäule und den Anodenteil als einen Plasmabereich betrachten. Plasma ist ein stark ionisiertes Gas, in dem die Anzahl der Elektronen und Ionen nahezu gleich ist. Im Plasma hat die zufällige Bewegung der Teilchen Vorrang vor ihrer gerichteten Bewegung. Dennoch bewegen sich Elektronen zur Anode und Ionen zur Kathode. Die auf Elektronen und Ionen wirkenden Feldkräfte sind gleich und nur entgegengesetzt gerichtet, da die Ladungen dieser Teilchen gleich, aber mit entgegengesetztem Vorzeichen sind. Aber die Masse eines Ions ist tausendmal größer als die Masse eines Elektrons. Daher erfahren die Ionen entsprechend geringere Beschleunigungen und erreichen relativ niedrige Geschwindigkeiten. Im Vergleich zu Elektronen sind Ionen nahezu unbeweglich. Daher ist der Strom in Ionengeräten praktisch die Bewegung von Elektronen. Der Anteil des Ionenstroms ist sehr klein und kann vernachlässigt werden. Die Ionen tun ihre Arbeit. Sie erzeugen eine positive Raumladung, die die negative Raumladung stark übersteigt und die Potentialbarriere nahe der Kathode zerstört. Der Kathodenspannungsbereich spielt eine wichtige Rolle. Die aus dem Plasma in diesen Bereich eingedrungenen Ionen werden hier beschleunigt. Die Ionen treffen mit hoher Geschwindigkeit auf die Kathode und schlagen Elektronen aus ihr heraus. Dieser Vorgang ist notwendig, um die Entladung aufrechtzuerhalten. Wenn die Geschwindigkeit der Ionen nicht ausreicht, funktioniert die Elektronenemission nicht und die Entladung stoppt. Auch die aus der Kathode austretenden Elektronen werden im Bereich des Kathodenfalls beschleunigt und fliegen mit einer viel größeren Geschwindigkeit in das Plasma ein, als es für die Ionisation von Gasatomen notwendig ist. Elektronen kollidieren mit Gasatomen in verschiedenen Teilen des Plasmas. Daher findet im gesamten Volumen eine Ionisation statt. Auch im Plasma findet eine Rekombination statt. Nur ein kleiner Teil der im Plasma entstandenen Ionen ist an der Entstehung der Elektronenemission der Kathode beteiligt. Die meisten Ionen rekombinieren mit Elektronen und erreichen die Kathode nicht. 43. STABILITRONEN Glimmentladungs- oder Koronaentladungsvorrichtungen sind Zenerdioden. Die am weitesten verbreiteten Glimmentladungs-Zenerdioden arbeiten im normalen Kathodenspannungsmodus. Da die der Glimmentladung vorausgehende Dunkelentladung nicht von Interesse ist, wird sie nicht über die Volt-Ampere-Kennlinie der Zenerdiode dargestellt. Der Abgabepunkt ist auf der vertikalen Achse dargestellt. In der Praxis ist dies der Fall, da ein Milliamperemeter zur Messung des Glimmentladungsstroms keinen vernachlässigbaren Dunkelentladungsstrom anzeigen wird. Der zur Stabilisierung geeignete Bereich des normalen Kathodenabfalls wird durch die minimalen und maximalen Ströme begrenzt. Bei einem geringeren Strom als dem Minimum kann die Entladung aufhören. Der maximale Strom entspricht entweder dem Beginn des anomalen Kathodenfallmodus oder es wird die Grenzerwärmung der Elektroden erreicht. Der Stromstoß bei einer Entladung kann je nach Widerstandswert des Widerstands unterschiedlich sein. Wenn es groß ist, erscheint ein relativ kleiner Strom, und wenn Sie einen kleinen nehmen, erscheint ein großer Strom. Für die Stabilisierung ist dies nachteilig, da die Spannungsstabilisierungsfläche reduziert wird. Bei einem niedrigen Widerstand kann es sogar im Bereich eines anomalen Kathodenabfalls zu einem Stromsprung kommen, und die Stabilisierung funktioniert überhaupt nicht. Ein ausreichend hochohmiger Begrenzungswiderstand ist also aus zwei Gründen notwendig: Damit es nicht zu einer Stromüberschreitung (Kurzschluss) kommt und damit ein Spannungsstabilisierungsmodus bestehen kann. Je größer die Kathodenfläche ist, desto breiter wird der Stabilisierungsbereich erhalten, da der minimale Strom unverändert bleibt und der maximale Strom proportional zur Kathodenfläche zunimmt. Daher zeichnen sich Zenerdioden durch eine Kathode mit großer Oberfläche aus. Die Anode hat eine kleine Größe, sollte aber durch den maximalen Strom nicht überhitzen. Die gebräuchlichsten Zweielektroden-Glimmentladungs-Zenerdioden mit einer zylindrischen Kathode aus Nickel oder Stahl. Die Anode ist ein Draht mit einem Durchmesser von 1-1,5 mm. Der Ballon ist mit einem Gemisch aus Inertgasen (Neon, Argon, Helium) mit einem Druck von mehreren zehn Millimetern Quecksilbersäule gefüllt. Die Parameter der Zenerdiode sind: normale Betriebsspannung oder Stabilisierungsspannung entsprechend dem Mittelpunkt des Stabilisierungsbereichs, Entladungseinleitungsspannung, minimaler und maximaler Strom, Änderung der Stabilisierungsspannung und Innenwiderstand gegenüber Wechselstrom. Unter Verwendung verschiedener Gasmischungen wird der gewünschte Wert der Stabilisierungsspannung ausgewählt. Koronaentladungs-Zenerdioden zeichnen sich durch hohe Spannungen und niedrige Ströme aus. Bei solchen Zenerdioden bestehen zylindrische Elektroden aus Nickel. Der Zylinder ist mit Wasserstoff gefüllt, und die Stabilisierungsspannung hängt vom Gasdruck ab. Betriebsströme liegen im Bereich von 3-100 μA. Der interne Wechselstromwiderstand dieser Zenerdioden beträgt Hunderte von Kiloohm. Der Vorgang der Entladung von Koronaentladungs-Zenerdioden dauert 15-30 s. Zenerdioden arbeiten meistens in einem Modus, in dem der Lastwiderstand konstant und die Quellenspannung instabil ist. Um höhere Spannungen zu stabilisieren, werden Zenerdioden in Reihe geschaltet, normalerweise nicht mehr als zwei oder drei. Sie können für unterschiedliche Spannungen sein, aber für die gleichen minimalen und maximalen Ströme. 44. GASTRONES Gastrons - Dies sind Ionendioden mit einer nicht selbsterhaltenden Bogenentladung, die durch thermionische Emission der Kathode aufrechterhalten wird. Der Zweck von Gastrons ist die Gleichrichtung von Wechselstrom. Gegenwärtig werden Gastrons mit einem Inertgas in Form von Argon oder einer Xenon-Krypton-Mischung bei einem Druck in der Größenordnung von einigen Millimetern Quecksilbersäule verwendet. Die meisten Gastrons haben eine Oxidkathode mit direkter oder indirekter Erwärmung. In stärkeren Gastrons hat es eine beträchtliche Oberfläche. Die Anode in Form einer Scheibe, Halbkugel oder eines Zylinders hat eine relativ geringe Größe. Gasotrons zeichnen sich durch eine niedrige Heizspannung von nicht mehr als 5 V aus. Wenn eine höhere Spannung angelegt wird, kann zwischen den Enden des Heizelements eine Bogenentladung auftreten, die die Energie der Heizfadenquelle verschwendet. Bei niedriger Heizspannung müssen die Kathoden leistungsstarker Gastrons mit einem großen Strom gespeist werden. Der Vorteil von Gastrons gegenüber Kenotrons liegt im geringen Spannungsabfall über dem Gastron selbst. Sie beträgt ca. 15-20 V und ist fast unabhängig vom Anodenstrom. Daher ist der Wirkungsgrad von Gastron-Gleichrichtern höher als der von Kenotron-Gleichrichtern, und zwar umso größer, je höher die gleichgerichtete Spannung ist. Bei Hochspannungsgleichrichtern auf Basis von Gastrons kann der Wirkungsgrad bis zu 90 % und mehr betragen. Vor der Entladung wird im Gastron ein Elektronenstrom beobachtet, der mit zunehmender Spannung wie in einer Vakuumdiode zunimmt. Dieser Strom ist sehr klein und hat keine praktische Bedeutung. Das Auftreten einer Bogenentladung wird bei einer Spannung erhalten, die etwas größer als das Ionisationspotential ist. Da das Gastron zwangsläufig über einen Begrenzungswiderstand eingeschaltet wird, tritt nach dem Einsetzen einer Entladung ein Spannungsabfall über dem Widerstand auf und die Spannung am Gastron nimmt leicht ab. Mit zunehmender Quellenspannung steigt der Strom im Gastron und der Spannungsabfall daran ändert sich geringfügig, bleibt jedoch nicht wie bei Zenerdioden konstant. Die Verwendung eines Gastrons zur Stabilisierung kommt nicht in Frage, da es unrentabel ist, mit erheblichem Energieaufwand eine niedrige Spannung zum Aufheizen des Gastrons zu erhalten. Die Betriebsspannung am Gastron liegt in der gleichen Größenordnung wie das Ionisationspotential, also 15-25 V. Aufgrund des für Glimmentladungsvorrichtungen charakteristischen Kathodenspannungsregimes wird keine relative Konstanz der Spannung am Gastron erreicht. Bei Gastronen ändert sich die Kathodenfläche nicht, aber mit zunehmendem Strom nimmt der Widerstand des Geräts gegenüber Gleichstrom ab, da die Ionisierung und dementsprechend die Anzahl der Elektronen und Ionen pro Volumeneinheit zunehmen. Darüber hinaus nähert sich die positive Raumladung der Ionen der Kathode, was einer Verringerung des Anoden-Kathoden-Abstands gleichkommt. In einem Gastron ist die Potentialverteilung im "Anoden-Kathoden"-Raum ungefähr dieselbe wie in Glimmentladungsvorrichtungen, aber die Anodenspannung ist niedriger und es gibt eine Potentialbarriere in der Nähe der Kathode, wie in Elektronenröhren. Die Kathode im Gastron arbeitet aufgrund ihres Beschusses mit positiven Ionen unter erschwerten Bedingungen. Die Ionen mit relativ großer Masse zerstören die Oxidschicht, wenn ihre Geschwindigkeit den zulässigen Wert überschreitet. 45. LICHTBOGENENTLADUNG THYRATRONS Heißkathoden-Thyratrons, Sie arbeiten wie Gastrons im Bogenentladungsmodus und werden zur Gleichrichtung von Wechselstrom und als Relais in der Automatisierung, Fernwirktechnik, Impulstechnik, Radar und anderen Bereichen eingesetzt. In vielen Eigenschaften und im Design ähneln Thyratrons Gastrons, aber das Gitter ermöglicht es Ihnen, die Größe der Entladungseinleitungsspannung zu steuern. Das Gitter in Thyratrons muss so sein, dass die Entladung nur durch es hindurchgeht und nicht auf Umwegen. Daher deckt das Gitter selbst oder in Kombination mit einem thermischen Schirm die Kathode von fast allen Seiten ab. Der Arbeitsteil des Gitters besteht aus mehreren Löchern, und der Rest ist ein Bildschirm. Bei einigen Thyratrons mit geringer Leistung ist das Elektrodendesign fast das gleiche wie bei Vakuumröhren. Die Kathode und Anode im Thyratron funktionieren genauso wie im Gastron. Die Betriebsmerkmale und die Betriebsregel von Gastrons gelten vollständig für Thyratrons. Die Aufgabe des Gitters in einem Thyratron besteht darin, das Thyratron mithilfe einer negativen Gitterspannung in einem gesperrten Zustand mit einer positiven Anodenspannung zu halten. Und wenn diese Spannung sinkt oder die Anodenspannung steigt, kommt es zu einer Entladung, d. h. das Thyratron wird entsperrt. Je größer die negative Netzspannung ist, desto höher ist die Anodenspannung, bei der eine Entladung auftritt. Dies erklärt sich dadurch, dass bei einer negativen Gitterspannung im Gitter-Kathoden-Spalt eine Hochpotentialbarriere für die von der Kathode emittierten Elektronen entsteht. Elektronen können diese Barriere nicht überwinden und zur Anode fliegen. Eine Verringerung des negativen Gitterpotentials oder eine Erhöhung der Anodenspannung senkt die Potentialbarriere. Wenn Elektronen beginnen, sie zu überwinden, bewegen sie sich in Richtung Anode, erreichen die für die Ionisierung erforderliche Geschwindigkeit, der Ionisierungsprozess nimmt lawinenartig zu und es kommt zu einer Bogenentladung. Die Beziehung zwischen der Anodenspannung des Entladungsereignisses und der Gitterspannung zeigt die Startcharakteristik oder Zündcharakteristik. Es wird mit der gleichen Schaltung wie für die Untersuchung einer Vakuumtriode entfernt, jedoch mit einem Begrenzungswiderstand im Anodenkreis. Es ist einfacher, es auszuziehen. Für jeden Punkt wird die Anodenspannung zuerst auf Null und eine negative Gitterspannung gesetzt. Dann wird die Anodenspannung erhöht und ihr Wert notiert, wenn eine Entladung auftritt. Als nächstes wird die Anodenspannung auf Null abgesenkt, der nächste Punkt entfernt usw. Die Anlaufkennlinie zeigt, dass mit steigender negativer Spannung des Gitters die Anodenspannung ansteigt, die für die Entladung notwendig ist. Das Anlaufverhalten beim Betrieb des Thyratrons mit Wechselspannung unterscheidet sich etwas von dem statischen Anlaufverhalten bei Gleichstrom. Dies liegt daran, dass bei einer Wechselspannung der Vorentladungs-(Vorstart-)Netzstrom wirkt. Es entsteht aufgrund der Tatsache, dass während des negativen Halbzyklus, wenn das Thyratron gesperrt ist, die Rekombination nicht sofort auftritt und sich Elektronen und Ionen zwischen den Elektroden befinden. Dies bewirkt, dass der umgekehrte Anodenstrom auftritt. Gleichzeitig werden positive Ionen vom negativ geladenen Gitter angezogen und bilden in seinem Stromkreis einen Vorentladungsstrom. Auch die thermionische Emission des Gitters kann bei der Bildung des Vorentladungsstroms eine Rolle spielen. Je größer der Anodenstrom und je höher die Frequenz, desto stärker der Vorentladungsstrom. Das Vorhandensein eines solchen Stroms erleichtert die Zündung des Thyratrons. 46. KATHOTRONSTRAHLROHRE Kathodenstrahlgeräte umfassen Kathodenstrahlröhren für die Oszillographie, Fernsehbildempfangs- und Radaranzeigegeräte, für die Fernsehbildübertragung, Speicherröhren für elektronische Computer, Kathodenstrahlschalter und andere Geräte. Alle diese Geräte erzeugen einen dünnen Elektronenstrahl (Strahl), der durch ein elektrisches oder magnetisches Feld oder beide Felder gesteuert wird. Röhren können mit Fokussierung des Elektronenstrahls durch ein elektrisches oder magnetisches Feld und mit elektrischer oder magnetischer Ablenkung des Strahls ausgestattet sein. Abhängig von der Farbe des Bildes auf dem Leuchtschirm gibt es Röhren mit grünem, orangefarbenem oder gelb-orangefarbenem Licht – für die visuelle Beobachtung, blau – zum Fotografieren von Oszillogrammen, weiß oder dreifarbig – für den Empfang von Fernsehbildern. Elektrostatisch gesteuerte Kathodenstrahlröhren, also mit Fokussierung und Strahlablenkung durch ein elektrisches Feld, kurz genannt elektrostatische Röhren, besonders weit verbreitet in Oszilloskopen. Der Schlauchballon hat eine zylindrische Form mit einer konischen oder manchmal zylinderförmigen Verlängerung. Auf der Innenfläche der Basis des expandierten Teils ist ein Leuchtschirm angebracht – eine Schicht aus Substanzen, die unter dem Einfluss von Elektronen leuchten können. Im Inneren der Röhre befinden sich Elektroden, die zu den Stiften des Sockels führen. Die Kathode ist normalerweise ein indirekt beheiztes Oxid in Form eines Zylinders mit einer Heizung. Der Kathodenanschluss ist manchmal mit einem Heizungsanschluss kombiniert. Die Oxidschicht wird auf der Unterseite der Kathode abgeschieden. Um die Kathode herum befindet sich eine als Modulator bezeichnete Steuerelektrode von zylindrischer Form mit einem Loch im Boden. Diese Kathode dient dazu, die Dichte des Elektronenstrahls zu steuern und vorzufokussieren. An den Modulator wird eine negative Spannung angelegt. Mit zunehmender Spannung kehren immer mehr Elektronen zur Kathode zurück. Bei einer negativen Modulatorspannung ist die Röhre gesperrt. Die folgenden Elektroden, ebenfalls zylindrisch, sind Anoden. Im einfachsten Fall sind es nur zwei. An der zweiten Anode beträgt die Spannung 500 V bis zu mehreren Kilovolt, und an der ersten Anode ist die Spannung um ein Vielfaches geringer. Innerhalb der Anoden befinden sich normalerweise Trennwände mit Löchern (Membranen). Unter der Wirkung des Beschleunigungsfeldes der Anoden erreichen die Elektronen eine beträchtliche Geschwindigkeit. Die endgültige Fokussierung des Elektronenflusses erfolgt durch ein ungleichmäßiges elektrisches Feld im Raum zwischen den Anoden sowie durch Blenden. Komplexere Fokussiersysteme bestehen aus mehr Zylindern. Ein aus einer Kathode, einem Modulator und Anoden bestehendes System wird als Elektronensuchscheinwerfer (Elektronenkanone) bezeichnet und dient dazu, einen Elektronenstrahl zu erzeugen, dh einen dünnen Elektronenstrahl, der mit hoher Geschwindigkeit von der zweiten Anode zum Leuchtschirm fliegt. Die Ablenkung des Elektronenstrahls und des Leuchtflecks auf dem Schirm ist proportional zur Spannung an den Ablenkplatten. Der Proportionalitätskoeffizient in dieser Abhängigkeit wird genannt Röhrenempfindlichkeit. 47. MERKMALE DES LAMPENBETRIEBES BEI ULTRAHOCHFREQUENZEN Lampen für Mittel- und Kurzwelle funktionieren unbefriedigend auf der Mikrowelle, was aus den folgenden Gründen erklärt wird. Einfluss von Elektrodenkapazitäten und Leitungsinduktivitäten. Kapazitäten und Induktivitäten haben einen großen Einfluss auf den Betrieb von Lampen im Mikrowellenbereich. Sie verändern die Parameter der an die Lampe angeschlossenen schwingungsfähigen Systeme. Dadurch nimmt die Eigenfrequenz schwingfähiger Systeme ab und es wird unmöglich, sie auf eine Frequenz oberhalb einer bestimmten Grenze abzustimmen. Jede Lampe ist durch eine bestimmte Grenzfrequenz gekennzeichnet, die der Resonanzfrequenz des Schwingkreises entspricht, die sich aus einem Kurzschluss der Zuleitungen von den Lampenelektroden ergibt. Zuleitungsinduktivitäten und Zwischenelektrodenkapazitäten erzeugen, wenn sie in bestimmten Lampenschaltungen enthalten sind, unerwünschte positive oder negative Rückkopplungen und Phasenverschiebungen, die den Betrieb der Schaltung verschlechtern. Die Induktivität des Kathodenanschlusses wird besonders beeinflusst. Es tritt gleichzeitig in die Anoden- und Gitterkreise ein und erzeugt eine signifikante Rückkopplung, wodurch sich der Betriebsmodus ändert und die Eingangsimpedanz der Lampe abnimmt, auf der die Quelle der verstärkten Wechselspannung belastet wird. Kapazitäten zwischen den Elektroden helfen auch, den Eingangswiderstand der Lampe zu reduzieren. Darüber hinaus können diese Kapazitäten, die bei Mikrowellenfrequenzen einen sehr geringen Widerstand aufweisen, das Auftreten erheblicher kapazitiver Ströme in leistungsstärkeren Lampen verursachen, wodurch die Leitungen von den Elektroden erhitzt werden und zusätzliche Energieverluste entstehen. Einfluss der Elektronenträgheit. Aufgrund der Tatsache, dass Elektronen Masse haben, können sie ihre Geschwindigkeit nicht sofort ändern und die Entfernung zwischen den Elektroden sofort zurücklegen. Die Lampe hört auf, ein Gerät ohne oder mit geringer Trägheit zu sein. In der Mikrowelle manifestiert sich die Trägheit von Elektronen. Die Trägheit der elektronischen Prozesse in der Lampe erzeugt schädliche Phasenverschiebungen, verzerrt die Form der Anodenstromimpulse und verursacht erhebliche Gitterströme. Das Ergebnis ist eine starke Abnahme des Eingangswiderstands der Lampe, eine Zunahme der Energieverluste in der Lampe sowie eine Abnahme der Nutzleistung. Bei der Betrachtung des Betriebs von Lampen wird der Einfachheit halber davon ausgegangen, dass der Strom im Stromkreis einer Elektrode aufgrund des Flusses von Elektronen gebildet wird, die innerhalb der Lampe auf diese Elektrode fliegen. Dieser Elektronenfluss wird als Konvektionsstrom bezeichnet. Der Strom im äußeren Stromkreis jeder Lampenelektrode ist ein induzierter (induktiver) Strom. In Elektronenröhren spielt der Fluss von Elektronen, die von einer Elektrode zur anderen fliegen, d. h. der Konvektionsstrom, die Rolle einer sich bewegenden induktiven Ladung. Konvektionsströme innerhalb der Lampe regen immer induzierte Ströme in den äußeren Drähten an, die mit den Lampenelektroden verbunden sind. Der induzierte Strom steigt mit zunehmender Anzahl und Geschwindigkeit der fliegenden Elektronen sowie mit abnehmendem Abstand zwischen ihnen und dieser Elektrode. Mit Hilfe des induzierten Stroms kann man die Energieumwandlung besser verstehen, die auftritt, wenn sich Elektronen in einem elektrischen Feld bewegen. Der in der Lampe fliegende Elektronenfluss erzeugt im Batteriekreis einen Induktionsstrom, dessen Richtung mit der Richtung des Konvektionsstroms übereinstimmt. Im Fall eines Beschleunigungsfeldes ist der durch die Batterie fließende induzierte Strom der Entladestrom für sie. Die Batterie wird entladen, d.h. sie verbraucht ihre Energie, die mit Hilfe eines elektrischen Feldes auf fliegende Elektronen übertragen wird und deren kinetische Energie erhöht. In einem abbremsenden Feld bewegen sich Elektronen aufgrund ihrer Anfangsenergien. In diesem Fall ist der induzierte Strom hingegen der Ladestrom für die Batterie, d. h. die Elektronen im Bremsfeld geben ihre Energie ab, die in der Batterie gespeichert wird. 48. EINGANGSWIDERSTAND UND LEISTUNGSVERLUST IN LAMPEN Die Verstärkerstufe ist durch eine Leistungsverstärkung K gekennzeichnet, die angibt, wie oft die Leistung verstärkt wird: K = Pout / Pin, wobei Pout die von der Lampe gelieferte Nutzleistung und Pin die am Eingang der Lampe zugeführte Leistung ist. Bei einem kleinen Wert des Eingangswiderstands kann die Leistung so stark ansteigen, dass der Koeffizient gleich eins oder sogar kleiner wird. Offensichtlich ist es unangemessen, Verstärker zu verwenden, die eine Leistungsverstärkung von weniger als dem 2- bis 3-fachen liefern. Mit dem Übergang zur Mikrowelle nimmt die Eingangsimpedanz herkömmlicher Lampen stark ab und die Leistungsverstärkung ist gering oder fehlt sogar. Die Abnahme des Eingangswiderstands von Mikrowellenlampen wird durch das Auftreten von Induktionsströmen im Gitterkreis erklärt. Abhängig vom Verhältnis der Flugzeit und der Schwingungsdauer, dem Verhältnis der Abstände der Abschnitte „Kathode – Gitter“ und „Gitter – Anode“, den Spannungswerten an den Elektroden, den Vorgängen in der Triode kann auf unterschiedliche Weise auftreten, aber in jedem Fall kommt es aufgrund der Manifestation der Trägheit der Elektronen in der Mikrowelle zu großen induzierten Strömen im Gitterkreis, die zu einem starken Abfall des Eingangswiderstands führen. Die unangenehmste Folge der Trägheit elektronischer Prozesse ist das Auftreten einer aktiven Komponente des Gitterstroms. Es bewirkt, dass die Lampe einen aktiven Eingangswiderstand hat, der mit zunehmender Frequenz abnimmt und die Leistungsverstärkung reduziert. Der aktive Eingangswiderstand der Lampe charakterisiert die Verlustenergie der im Gitterkreis enthaltenen Schwingungsquelle. Diese Energie wird dabei durch den Wirkanteil des induzierten Stroms von der Schwingungsquelle auf das elektrische Feld übertragen und auf Elektronen übertragen, die ihre kinetische Energie erhöhen und zum Aufheizen der Anode aufwenden. Wenn 1 die Lampe bei niedrigeren Frequenzen arbeitet und die Flugzeit vernachlässigt werden kann, dann haben die Ströme bei Gitterspannung die gleiche rechteckige Form und Dauer wie die Spannung und sind nicht zeitlich gegeneinander verschoben. Da diese Ströme gleich und entgegengesetzt gerichtet sind, ist der Gesamtgitterstrom Null. Folglich gibt es in diesem Fall keinen Energieverbrauch von der Schwingungsquelle. Bei einer sinusförmigen Wechselspannung sind alle Vorgänge komplizierter, aber bei der Mikrowelle tritt zwangsläufig ein aktiver Induktionsstrom im Gitterkreis auf, dessen Erzeugung die Energie der Schwingungsquelle verbraucht. Diese Energie geht schließlich durch zusätzliche Erwärmung der Anode und Kathode durch den Konvektionsstrom verloren. Tatsächlich gibt die positive Halbwelle der Gitterspannung, die die von der Kathode fliegenden Elektronen beschleunigt, ihnen zusätzliche Energie, und während der negativen Halbwelle des Gitters stößt sie die Elektronen ab, die sich zur Anode bewegen, und sie erhalten auch zusätzliche Energie. Dadurch beschießen Elektronen mit größerer Wucht die Anode, die zusätzlich aufgeheizt wird. Außerdem werden Elektronen, die nicht durch das Gitter geflogen sind, sondern zur Kathode zurückgekehrt sind, während der negativen Halbwelle ebenfalls vom Gitter abgestoßen und erhalten mehr zusätzliche Energie. Diese Elektronen bombardieren die zusätzliche Kathode und bewirken, dass sie sich weiter aufheizt. Somit gibt die Schwingungsquelle während der gesamten Periode Energie an die Elektronen ab, die sie zum Beschuss der Anode und Kathode aufwenden. Energieverluste in Mikrowellenlampen treten nicht nur aufgrund der Trägheit von Elektronen auf, sondern auch aus einer Reihe anderer Gründe. Durch den Oberflächeneffekt erhöht sich der aktive Widerstand der Elektroden und ihrer Zuleitungen. An der Oberfläche von Metallleitern fließen erhebliche Ströme, die eine nutzlose Erwärmung erzeugen. In der Mikrowelle steigen die Verluste in allen festen Dielektrika, die unter dem Einfluss eines elektrischen Wechselfeldes stehen. 49. FLUG KLYSTER Für Zentimeterwellen erfolgreich angewendet Klystron, dessen Arbeit auf der Veränderung der Geschwindigkeit des Elektronenflusses beruht. Bei diesen Geräten ist eine erhebliche Elektronenflugzeit nicht schädlich, aber für den normalen Betrieb des Geräts notwendig. Klystrons sind überspannend (Zwei-Resonator und Multi-Resonator) geeignet zur Erzeugung und Verstärkung von Schwingungen, und reflektierend (Einzelresonator), die nur als Generatoren arbeiten. Der Elektronenfluss von der Kathode zur Anode passiert zwei Gitterpaare, die Teile der Wände von zwei Hohlraumresonatoren sind. Der erste Resonator dient als Eingangskreis. Mit Hilfe einer Koaxialleitung und einer Kommunikationsspule werden ihm verstärkte Schwingungen mit Frequenz zugeführt. Seine Gitter bilden einen Modulator, in dem die Elektronengeschwindigkeit moduliert wird. Der zweite Resonator dient als Ausgangskreis zur Verstärkung der Schwingungen. Ihre Energie wird mit Hilfe einer Kommunikationsspule und einer Koaxialleitung aufgenommen. An beide Resonatoren und an die Anode wird eine positive Spannung angelegt, wodurch zwischen dem Gitter und der Kathode ein Beschleunigungsfeld entsteht, unter dessen Einfluss Elektronen mit einer erheblichen Anfangsgeschwindigkeit in den Modulator fliegen. Werden in den ersten Resonator Schwingungen eingeleitet, so entsteht zwischen den Gittern ein elektrisches Wechselfeld, das auf den Elektronenfluss einwirkt und dessen Geschwindigkeit verändert (moduliert). Wenn in diesem Halbzyklus ein positives Potential auf dem zweiten Gitter und ein negatives Potential auf dem ersten Gitter vorhanden ist, wird das Feld zwischen den Gittern beschleunigt und die Elektronen, die durch den Modulator hindurchgehen, erhalten eine zusätzliche Geschwindigkeit. Elektronen mit hoher Geschwindigkeit holen Elektronen ein, die sich mit niedrigerer Geschwindigkeit bewegen, wodurch der Elektronenfluss in einzelne, dichtere Elektronengruppen – Elektronenpakete – aufgeteilt wird. Das heißt, dank der Modulation des Elektronenflusses durch die Geschwindigkeit im Gruppierungsraum wird eine Modulation dieses Flusses durch die Dichte erhalten. Nur Elektronen, die während einer halben Periode durch den Modulator fliegen, werden gruppiert. Eine gute Gruppierung ist nur möglich, wenn die Änderung der Elektronengeschwindigkeit unter dem Einfluss des modulierenden Wechselfeldes unbedeutend ist im Vergleich zu der Geschwindigkeit, die sie durch die konstante Beschleunigungsspannung erhalten. Daher muss die Wechselspannung zwischen den Resonatorgittern viel kleiner sein als die Gleichspannung. Die Gruppierung von Elektronen zu einem Bündel wird während einer halben Periode wiederholt. Nach dem Punkt der größten Konzentration des Elektronenflusses divergieren die Elektronen wieder. Elektronenpakete fliegen durch den zweiten Resonator, wenn das elektrische Feld darin verzögert wird. Die durch den zweiten Resonator geflossenen Elektronen treffen auf die Anode und heizen diese auf. Ein Teil der Elektronen trifft auch auf die Resonatorgitter. Wenn der Elektronenfluss nicht moduliert wäre, könnte er keine Schwingungen im zweiten Resonator aufrechterhalten. Doppelresonator-Klystrons werden als Verstärker in Mikrowellensendern verwendet und ihre Nutzleistung kann im Dauerbetrieb bis zu mehreren zehn Kilowatt und im gepulsten Modus bis zu mehreren zehn Megawatt betragen. Mit der Verkürzung der Wellenlänge nimmt die Leistung der Sender ab. Zur Verstärkung schwacher Signale in Empfängern sind Klystrons wenig geeignet, da sie starkes Eigenrauschen erzeugen. 50. REISE- UND RÜCKWELLEN-LAMPEN Nachteile, die dem Klystron innewohnen, in einer Wanderfeldlampe (TWT) eliminiert. Der Gewinn und die Effizienz in einem TWT können viel höher sein als in einem Klystron. Dies erklärt sich dadurch, dass der Elektronenfluss in der TWT auf einem großen Teil seines Weges mit einem elektrischen Wechselfeld wechselwirkt und einen erheblichen Teil seiner Energie abgibt, um verstärkte Schwingungen zu erzeugen. Der Elektronenfluss in der TWT ist viel schwächer als im Klystron, daher ist der Rauschpegel relativ gering. Das Frequenzband kann sehr groß sein, da in der TWT keine schwingungsfähigen Systeme vorhanden sind. Die Bandbreite wird nicht durch die Lampe selbst begrenzt, sondern durch verschiedene Zusatzgeräte, die dazu dienen, die Lampe mit externen Schaltungen zu verbinden und die einzelnen Elemente dieser Zusatzgeräte aufeinander abzustimmen. Wanderfeldlampen für Frequenzen in der Größenordnung von Tausenden von Megahertz haben ein Frequenzband von übertragenen Schwingungen in der Größenordnung von Hunderten von Megahertz, was für Radar und alle Arten moderner Funkkommunikation völlig ausreichend ist. LBV sind so angeordnet. Im linken Teil des länglichen Zylinders ist ein elektronischer Suchscheinwerfer mit einer beheizten Kathode, einer Fokussierelektrode und einer Anode angeordnet. Der vom elektronischen Projektor erzeugte Elektronenstrahl verläuft weiter innerhalb der Drahtspirale, die die Rolle des inneren Drahtes der Koaxialleitung spielt. Der äußere Draht dieser Leitung ist ein Metallrohr. Die Spirale ist auf speziellen Isolatoren befestigt. Eine mit Gleichstrom betriebene Fokussierspule dient dazu, den Elektronenstrahl über seine gesamte Länge zu komprimieren. Anstelle einer Fokussierspule können auch Permanentmagnete verwendet werden. Da magnetische Fokussiersysteme sehr sperrig sind, wurden elektrostatische Verfahren zum Fokussieren eines Elektronenstrahls in einer TWT entwickelt, d. h. zum Fokussieren unter Verwendung eines elektrischen Felds. In der TWT für kürzere Zentimeterwellenlängen wird die Wendel durch andere Arten von Moderationssystemen ersetzt, da es schwierig ist, eine sehr kleine Wendel herzustellen. Diese Verzögerungssysteme sind Wellenleiter mit einem komplexen Zickzack-Design oder mit kammartigen Wänden. Entlang solcher Wellenleiter wird der Elektronenstrahl geradlinig geführt und die elektromagnetische Welle breitet sich mit verringerter Geschwindigkeit aus. Ähnliche Slow-Wave-Systeme werden auch in Hochleistungs-TWTs verwendet, da die Helix einer hohen Verlustleistung darin nicht standhalten kann. Die Funktionsprinzipien der TWT dienten als Grundlage für die Schaffung einer Rückwärtswellenröhre (BWO), die manchmal auch als Rückwärtswellenröhre bezeichnet wird Karzinotron. Diese Lampe ist im Gegensatz zur TWT nur zur Erzeugung von Zentimeter- und kürzeren Wellen gedacht. In BWOs werden ebenfalls Wellenleiter-Slow-Wave-Systeme verwendet, wie in TWTs, aber die Welle und der Elektronenstrahl bewegen sich aufeinander zu. Die anfänglichen schwachen Schwingungen im BWO werden aus den Schwankungen des Elektronenstrahls erhalten, dann werden sie verstärkt und es findet eine Erzeugung statt. Durch Änderung der konstanten Spannung, die den Elektronenstrahl erzeugt, ist es möglich, eine elektronische Abstimmung des BWO in einem sehr weiten Frequenzbereich durchzuführen. Niedrigleistungs-BWTs wurden für Frequenzen von Zehntausenden von Megahertz geschaffen, mit einer nutzbaren Leistung von erzeugten Schwingungen von bis zu zehn Bruchteilen eines Watts mit einem Wirkungsgrad in der Größenordnung von einigen Prozent. Für Frequenzen bis 10 MHz wurden BWOs mit einer Nutzleistung von mehreren zehn Kilowatt im Dauerbetrieb und Hunderten von Kilowatt im Pulsbetrieb entwickelt. Generator-BWOs kleiner und mittlerer Leistung mit einem geradlinigen Elektronenstrahl werden als Carcinotrons vom Typ 0 bezeichnet. Für hohe Leistungen werden BWOs verwendet, sogenannte Carcinotrons vom Typ M, bei denen sich der Elektronenstrahl unter dem Einfluss eines Magnetfelds im Kreis bewegt. Das Verzögerungssystem befindet sich bei diesen Lampen am Umfang, und das transversale Magnetfeld wird wie beim Magnetron durch einen Permanentmagneten erzeugt. 51. ALLGEMEINE KONZEPTE ÜBER ELEKTRIZITÄT UND ELEKTRONISCHE THEORIE Lange Zeit gab es die Meinung, dass Atome primäre, unzersetzbare und unveränderliche Bestandteile aller Naturkörper sind, daher der Name "Atom", was auf Griechisch "unteilbar" bedeutet. Am Ende des XNUMX. Jahrhunderts bemerkten Physiker, als sie einen elektrischen Hochspannungsstrom durch eine Röhre mit einem stark verdünnten Gas leiteten, ein grünliches Leuchten im Glas der Röhre, das durch die Einwirkung unsichtbarer Strahlen verursacht wurde. Der Leuchtfleck befand sich gegenüber der mit dem Minuspol der Stromquelle (Kathode) verbundenen Elektrode. Daher werden die Strahlen genannt kathodisch. Unter dem Einfluss eines Magnetfeldes verschob sich der Leuchtfleck zur Seite. Kathodenstrahlen verhielten sich wie ein stromdurchflossener Leiter in einem Magnetfeld. Die Verschiebung des grünlichen Flecks erfolgte auch unter dem Einfluss des elektrischen Feldes, wobei der positiv geladene Körper die Strahlen anzieht und der negativ geladene Körper sie abstößt. Dies führte zu der Idee, dass die Kathodenstrahlen selbst ein Strom negativer Teilchen – Elektronen – sind. Die klassische Physik sieht den Unterschied zwischen Dielektrika und Leitern darin, dass in einem Dielektrikum alle Elektronen fest in der Nähe des Atomkerns festgehalten werden. Im Gegensatz dazu ist in Leitern die Verbindung zwischen den Elektronen und dem Atomkern stark und es gibt eine große Anzahl freier Elektronen, deren geordnete Bewegung einen elektrischen Strom verursacht. Die klassische Physik lässt jeden Wert der Energie des Atoms zu und betrachtet die Änderung der Energie des Atoms als kontinuierlich in beliebig kleinen Portionen. Die Untersuchung der optischen Spektren von Elementen und Phänomenen, die mit der Wechselwirkung von Atomen mit Elektronen verbunden sind, zeigt jedoch die kontinuierliche Natur der inneren Energie von Atomen. Atom- und Molekülphysik beweisen, dass die Energie eines Atoms keine sein kann und nur ganz bestimmte Werte annimmt, die für jedes Atom charakteristisch sind. Die möglichen Werte der inneren Energie eines Atoms nennt man Energie- oder Quantenniveaus. Energieniveaus, die ein Atom nicht besitzen kann, werden verbotene Niveaus genannt. Es gibt eine Reihe von Elementarteilchen: Protonen und Neutronen, positive und negative Mesonen, Elektronen, Positronen, Neutrinos und Antiprotonen. Elektrische Phänomene sind den Menschen schon sehr lange bekannt (Reiben von Bernstein mit einem Tuch). Körper, die elektrische Ladungen leiten können, nennt man elektrische Leiter. Körper, die elektrischen Strom sehr schlecht leiten, nennt man Nichtleiter, Isolatoren oder Dielektrika. Es wurde festgestellt, dass elektrifizierte Körper sich gegenseitig anziehen oder abstoßen. Durch die Elektrifizierung verschiedener Körper werden zwei Arten von Elektrizität gewonnen. Herkömmlicherweise wurde eine Art von Elektrizität als positiv und die andere als negativ bezeichnet. Folglich stoßen sich mit Elektrizität geladene Körper mit demselben Namen gegenseitig ab, und mit Elektrizität geladene Körper mit demselben Namen ziehen sich gegenseitig an. Elektrizität ist eine Eigenschaft der Materie (eine besondere Bewegungsform der Materie), die dualer Natur ist und sich in Elementarteilchen der Materie offenbart (positive Elektrizität in Protonen, Positronen und Mesonen, negative Elektrizität in Elektronen, Antiprotonen oder Mesonen). 52. GESETZ VON COULOMB. ELEKTRISCHES FELD Zwei elektrifizierte Körper wirken aufeinander mit einer Kraft, die proportional zur Ladungs- oder Elektrizitätsmenge auf diesen Körpern und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen den Körpern ist, wenn die Eigenabmessungen dieser Körper klein sind im Vergleich zum Abstand zwischen ihnen Sie. Diese Abhängigkeit der Wechselwirkungskraft von der Größe der Ladungen und dem Abstand zwischen ihnen wurde empirisch von einem Physiker festgestellt Anhänger. Spätere Studien haben gezeigt, dass die Stärke der Wechselwirkung zwischen Ladungen auch von der Umgebung abhängt, in der sich die Ladungen befinden. Die Experimente führten Coulomb zur Aufstellung des folgenden Gesetzes: Zwei physikalische Punktladungen q1 und q2, die sich in einem homogenen Medium mit einer relativen elektrischen Permeabilität e im Abstand r befinden, wirken aufeinander mit einer Kraft F, die proportional zum Produkt dieser Ladungen und ist umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstands zwischen ihnen. physikalische Punktladungen werden genannt, wenn ihre eigenen Abmessungen klein sind im Vergleich zu ihrem Abstand. Die Coulomb-Formel hat die Form: F =(q1q2)/(4??·?0r 2), wobei ?0=8,85 · 10-12F/m die elektrische Permeabilität des Hohlraums ist. ? - relative elektrische Permeabilität. Es zeigt, wie oft die Wechselwirkungskraft zwischen zwei Ladungen in einem beliebigen Medium unter sonst gleichen Bedingungen geringer ist als im leeren Raum. Die relative elektrische Permittivität ist eine dimensionslose Größe. Die Stärke des elektrischen Feldes wird aus den mechanischen Kräften abgeschätzt, mit denen das Feld auf geladene Körper wirkt. Da nach dem Coulomb-Gesetz die Wechselwirkungskraft zwischen Ladungen in einem bestimmten Medium von der Größe der Ladungen und dem Abstand zwischen ihnen abhängt, ist die mechanische Kraft, mit der das Feld zu einem bestimmten Raummoment auf eine Einheit wirkt, positiv Die an diesem Punkt platzierte Ladung wird als quantitatives Maß für das Feld genommen. Dieser Wert wird als elektrische Feldstärke bezeichnet und mit E bezeichnet. Nach der Definition von E=F/q. Setzt man eine der Ladungen in der Coulomb-Formel mit eins gleich, so erhält man einen Ausdruck für die Feldstärke E an einem im Abstand r von der physikalischen Punktladung entfernten Punkt: E = q/(4???0r2), und für Leere, in der die relative elektrische Permeabilität gleich eins ist: E = q/(4??0r 2). Die Einheit der Spannungsmessung ist V/m. Ein elektrisches Feld, dessen Intensität an verschiedenen Punkten im Raum in Größe und Richtung gleich ist, wird als bezeichnet einheitliches Feld. Bei der Untersuchung verschiedener physikalischer Phänomene muss man sich mit skalaren und vektoriellen Größen befassen. Eine positive elektrische Ladung, die entfernt von anderen Ladungen in das Feld eines positiv geladenen kugelförmigen Körpers eingeführt wird, wird in einer geraden Linie abgestoßen, die eine Fortsetzung des Radius des geladenen Körpers ist. Indem wir eine elektrische Ladung an verschiedenen Punkten im Feld einer geladenen Kugel platzieren und die Bahnen der Ladung unter der Wirkung ihrer elektrischen Kräfte markieren, erhalten wir eine Reihe radikaler gerader Linien, die in alle Richtungen auseinanderlaufen. Diese imaginären Linien, entlang denen sich eine positive, trägheitslose Ladung, die in ein elektrisches Feld eingebracht wird, zu bewegen versucht, werden als elektrische Kraftlinien bezeichnet. In einem elektrischen Feld können beliebig viele Kraftlinien gezogen werden. Mit Hilfe von grafischen Linien können Sie nicht nur die Richtung, sondern auch die Stärke des elektrischen Felds an einem bestimmten Punkt grafisch darstellen. Die Elektrizitätsmenge pro Flächeneinheit eines geladenen Körpers wird als Flächendichte der elektrischen Ladung bezeichnet. Es hängt von der Elektrizitätsmenge am Körper sowie von der Form der Oberfläche des Leiters ab. 53. LEITER UND DIELEKTRISCH IM ELEKTRISCHEN FELD Wird ein ungeladener isolierter Leiter in ein elektrisches Feld eingebracht, so kommt es durch die Wirkung der elektrischen Kräfte des Feldes im Leiter zur Trennung elektrischer Ladungen. Die freien Elektronen des Leiters bewegen sich in die Richtung, die der Richtung des elektrischen Feldes entgegengesetzt ist. Infolgedessen gibt es am Ende des Leiters, das der geladenen Kugel zugewandt ist, einen Elektronenüberschuss, der eine negative Ladung dieses Endes verursacht, und am anderen Ende des Leiters gibt es einen Elektronenmangel, was eine positive Ladung verursacht Ladung dieses Teils des Dirigenten. Die Trennung von Ladungen auf einem Leiter unter dem Einfluss eines geladenen Körpers wird als Elektrifizierung durch Einfluss oder elektrostatische Induktion bezeichnet, und Ladungen auf einem Leiter werden als induzierte Ladungen bezeichnet. Wenn sich der Leiter der geladenen Kugel nähert, nimmt die Anzahl der auf dem Leiter induzierten Ladungen zu. Das elektrische Feld einer geladenen Kugel ändert sich, sobald sich darin ein Leiter befindet. Die elektrischen Kraftlinien der Kugel, die zuvor gleichmäßig und radikal auseinanderliefen, biegen sich nun zum Leiter hin. Da der Anfang und das Ende elektrischer Kraftlinien die auf der Oberfläche der Leiter liegenden elektrischen Ladungen sind, endet die Kraftlinie, beginnend an der Oberfläche mit positiven Ladungen, an der Oberfläche mit negativen Ladungen. Im Inneren eines Leiters kann kein elektrisches Feld existieren. Andernfalls gäbe es einen Potentialunterschied zwischen einzelnen Punkten des Leiters, es würde zu Ladungsbewegungen im Leiter kommen (Leitungsstrom), bis durch die Umverteilung der Ladungen die Potentiale aller Punkte des Leiters gleich würden. Dies wird verwendet, wenn sie den Leiter vor dem Einfluss äußerer elektrischer Felder schützen möchten. Dazu wird der Leiter von einem weiteren Leiter umgeben, der in Form einer massiven Metallfläche oder eines Drahtgeflechts mit kleinen Löchern ausgeführt ist. Die durch die Einwirkung eines geladenen Feldes auf den Leiter gebildeten induzierten Ladungen können durch Halbieren des Leiters voneinander getrennt werden. Ein Dielektrikum unterscheidet sich von einem Leiter durch das Fehlen freier Elektronen. Die Elektronen dielektrischer Atome sind fest an den Atomkern gebunden. Ein Dielektrikum, das wie ein Leiter in ein elektrisches Feld eingebracht wird, wird durch Beeinflussung elektrisiert. Es gibt jedoch einen signifikanten Unterschied zwischen der Elektrifizierung eines Leiters und eines Dielektrikums. Wenn sich in einem Leiter unter dem Einfluss der Kräfte eines elektrischen Feldes freie Elektronen durch das gesamte Volumen des Leiters bewegen, kann in einem Dielektrikum keine freie Bewegung elektrischer Ladungen auftreten. Aber innerhalb eines dielektrischen Moleküls verschiebt sich eine positive Ladung entlang der Richtung des elektrischen Felds und eine negative Ladung in die entgegengesetzte Richtung. Durch den Einfluss eines geladenen Körpers entstehen an der Oberfläche des Dielektrikums elektrische Ladungen. Dieses Phänomen wird als dielektrische Polarisation bezeichnet. Es gibt zwei Klassen von Dielektrika. 1. Ein Molekül im neutralen Zustand hat positive und negative Ladungen, die so nahe beieinander liegen, dass sich ihre Wirkung gegenseitig kompensiert. Unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes werden positive und negative Ladungen innerhalb des Moleküls leicht gegeneinander verschoben und bilden einen Dipol. 2. Moleküle und in Abwesenheit eines elektrischen Feldes Dipole bilden. Solche Dielektrika werden als polar bezeichnet. Die Notwendigkeit der richtigen Wahl der Größe der elektrischen Feldstärke im Dielektrikum führte zur Entstehung der für die moderne Hochspannungstechnik wichtigen Theorie der Spannungsfestigkeit. 54. WICHTIGSTE ELEKTRISCHE ISOLIERMATERIALIEN Asbest - ein Mineral mit einer faserigen Struktur. Die Länge der Faser reicht von zehn Bruchteilen eines Millimeters bis zu mehreren Zentimetern. Asbest wird zur Herstellung von Garnen, Bändern, Stoffen, Papier, Pappe usw. verwendet. Eine wertvolle Eigenschaft ist seine hohe Hitzebeständigkeit. Eine Erwärmung auf 300-400°C verändert die Eigenschaften von Asbest nicht. Aufgrund seiner geringen Wärmeleitfähigkeit wird Asbest als Wärmedämmung bei hohen Temperaturen eingesetzt. Asbest hat eine Hygroskopizität, die abnimmt, wenn es mit Harzen, Bitumen usw. imprägniert wird. Die elektrischen Isoliereigenschaften von Asbest sind gering. Daher ist es bei hohen Spannungen nicht anwendbar. Kolophonium - zerbrechliches Harz von hellgelber oder brauner Farbe, das durch Verarbeitung des Harzes von Nadelbäumen gewonnen wird. Kolophonium löst sich in Erdölen, flüssigen Kohlenwasserstoffen, Pflanzenölen, Alkohol, Terpentin. Der Erweichungspunkt von Kolophonium liegt bei 50-70 °C. Wird zur Herstellung von Imprägnier- und Füllmassen verwendet. Paraffin - eine wachsartige Substanz, die aus Erdöl gewonnen wird. Gut gereinigtes Paraffin ist eine weiße kristalline Substanz. Es wird zum Imprägnieren von Holz, Papier und Faserstoffen, zum Füllen von Hochfrequenzspulen und Transformatoren sowie zur Herstellung von Isoliermassen verwendet. Glimmer - ein Mineral mit kristalliner Struktur. Aufgrund seiner Struktur spaltet es sich leicht in einzelne Blätter auf. Es hat eine hohe elektrische Festigkeit, hohe Wärmebeständigkeit, Feuchtigkeitsbeständigkeit, mechanische Festigkeit und Flexibilität. Es werden zwei Arten von Glimmer verwendet: Muskovit und Phlogopit, die sich in Zusammensetzung, Farbe und Eigenschaften unterscheiden. Muskovit ist der beste Glimmer. Aus Glimmerblättern werden rechteckige Platten für Kondensatoren, Unterlegscheiben für Elektrogeräte usw. gestanzt. Textolite - Kunststoff, ein mehrschichtiges Gewebe, das mit Resolharz imprägniert und bei 150 "unter hohem Druck gepresst wird. Positive Eigenschaften: geringe Sprödigkeit, hohe mechanische Eigenschaften, Abriebfestigkeit. Negative Eigenschaften: schlechte elektrische Eigenschaften, geringe Feuchtigkeitsbeständigkeit, teurer. Faser aus mit Zinkchloridlösung behandeltem porösem Papier. Gut für die mechanische Bearbeitung. Der große Nachteil ist seine Hygroskopizität. Faser wird durch Säuren und Laugen angegriffen. Daraus werden Kleinteile, Dichtungen, Spulenrahmen hergestellt. Die dünne Faser wird Leteroid genannt. Ceresin erhalten durch Raffinieren eines wachsartigen Minerals - Ozokerit oder Petrolatum. Es hat einen erhöhten Schmelzpunkt (65-80°) und eine erhöhte Oxidationsbeständigkeit. Wird zum Imprägnieren von Papierkondensatoren, zur Herstellung von Isoliermassen usw. verwendet. Schellack - natürliches Harz tropischer Pflanzen, sein Schmelzpunkt beträgt 100-200 °. Es hat das Aussehen von gelblichen oder braunen Schuppen, die in Alkohol leicht löslich sind. Es wird zur Herstellung von Spachtelmassen, Isolier- und Klebelacken, Imprägnierung von Isolierbändern verwendet. Schiefer - Schiefer, hat eine geschichtete Struktur. Nicht hygroskopisch, leicht zu bearbeiten. Es wird zur Herstellung von Paneelen, Schutzvorrichtungen für Messerschalter usw. verwendet. Ebonit (Hartgummi) wird aus Gummi gewonnen, indem man ihm 20-50 % Schwefel zusetzt. In Form von Platten, Stäben und Rohren hergestellt, eignet es sich gut für die Bearbeitung. Es wird in der Technik der schwachen Ströme verwendet, Drähte werden beim Durchgang durch Wände und mit versteckter Verkabelung in Ebonitrohre gezogen. 55. DAS KONZEPT DES ELEKTRISCHEN STROMS. OHM'SCHES GESETZ Die Bewegung von Elektronen durch einen Leiter wird genannt elektrischer Strom. In der Elektrotechnik ist es üblich, die Stromrichtung als entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung von Elektronen in einem Leiter zu betrachten. Mit anderen Worten wird angenommen, dass die Richtung des Stroms mit der Bewegungsrichtung positiver Ladungen zusammenfällt. Elektronen legen bei ihrer Bewegung nicht die gesamte Länge des Leiters zurück. Im Gegenteil, sie legen sehr kurze Strecken zurück, bevor sie mit anderen Elektronen, Atomen oder Molekülen kollidieren. Diese Entfernung wird genannt die mittlere freie Weglänge von Elektronen. Elektrizität kann nicht direkt beobachtet werden. Der Stromdurchgang kann nur anhand der Wirkungen beurteilt werden, die er hervorruft. Zeichen, anhand derer das Vorhandensein von Strom leicht beurteilt werden kann: 1) der Strom, der durch Lösungen von Salzen, Laugen, Säuren sowie durch geschmolzene Salze fließt, zerlegt sie in ihre Bestandteile; 2) der Leiter, durch den der elektrische Strom fließt, wird erhitzt; 3) elektrischer Strom, der durch den Leiter fließt, erzeugt ein Magnetfeld um ihn herum. Die einfachste elektrische Installation besteht aus einer Quelle (galvanische Zelle, Batterie, Generator usw.), Verbrauchern oder Empfängern elektrischer Energie (Glühlampen, Elektroheizungen, Elektromotoren usw.) und Verbindungsdrähten, die die Klemmen der Spannungsquelle verbinden die Klemmen des Verbrauchers . Ein Strom, der sich in Größe und Richtung nicht ändert, wird als Gleichstrom bezeichnet. Gleichstrom kann nur durch einen geschlossenen Stromkreis fließen. Ein offener Stromkreis an irgendeiner Stelle bewirkt, dass der elektrische Strom stoppt. Gleichstrom wird von galvanischen Zellen, Batterien, Gleichstromgeneratoren bereitgestellt, wenn sich die Betriebsbedingungen des Stromkreises nicht ändern. Eine Ladung geht in einer bestimmten Zeit durch den Querschnitt des Leiters. Die Stärke des Stroms, der im Laufe der Zeit durch den Querschnitt des Leiters fließt, ist: I = q / t. Das Verhältnis des Stroms I zur Querschnittsfläche des Leiters Z wird als Stromdichte bezeichnet und mit ? bezeichnet. ?=I/S; Stromdichte wird in A/m2 gemessen. Wenn ein Stromkreis geschlossen wird, an dessen Anschlüssen ein Potentialunterschied besteht, entsteht ein elektrischer Strom. Freie Elektronen bewegen sich unter dem Einfluss elektrischer Feldkräfte entlang des Leiters. Bei ihrer Bewegung kollidieren die Elektronen mit den Atomen des Leiters und geben ihnen einen Vorrat an kinetischer Energie. Die Bewegungsgeschwindigkeit von Elektronen ändert sich ständig: Wenn Elektronen mit Atomen, Molekülen und anderen Elektronen kollidieren, nimmt sie ab, steigt dann unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes an und nimmt bei einer neuen Kollision wieder ab. Dadurch stellt sich im Leiter ein gleichmäßiger Elektronenfluss mit einer Geschwindigkeit von einigen Bruchteilen eines Zentimeters pro Sekunde ein. Folglich stoßen Elektronen, die einen Leiter passieren, bei ihrer Bewegung immer auf Widerstand von seiner Seite. Wenn ein elektrischer Strom durch einen Leiter fließt, erwärmt sich dieser. Der elektrische Widerstand R eines Leiters ist die Eigenschaft eines Körpers oder Mediums, elektrische Energie in thermische Energie umzuwandeln, wenn ein elektrischer Strom durch ihn fließt. R = l / S, wobei l der spezifische Widerstand des Leiters ist, l die Länge des Leiters ist. Der Strom in einem Schaltungsabschnitt ist direkt proportional zur Spannung in diesem Abschnitt und umgekehrt proportional zum Widerstand desselben Abschnitts. Diese Abhängigkeit ist als Ohmsches Gesetz bekannt und wird durch die Formel ausgedrückt: I = U/R. Strom fließt nicht nur durch den äußeren Teil des Stromkreises, sondern auch durch den inneren. Die EMF (E) der Quelle deckt die internen und externen Spannungsverluste im Stromkreis ab. Ohmsches Gesetz für den gesamten Stromkreis: I = E / (R + r), wobei R der Widerstand des äußeren Teils des Stromkreises ist, r der Widerstand des inneren Teils des Stromkreises ist. 56. VERBINDUNG DER LEITER ZWISCHEN IHNEN. KIRCHHOFFS ERSTES GESETZ Einzelne Leiter eines Stromkreises können in Reihe, parallel und gemischt miteinander verbunden werden. serielle Verbindung Leiter ist eine solche Verbindung, wenn das Ende des ersten Leiters mit dem Anfang des zweiten verbunden ist, das Ende des zweiten Leiters mit dem Anfang des dritten verbunden ist usw. Der Gesamtwiderstand des Stromkreises, bestehend aus mehreren Reihen- verbundene Leiter, ist gleich der Summe der Widerstände der einzelnen Leiter: R \u1d R2 + R3 + R1 +. +R||. Der Strom in getrennten Abschnitten der Reihenschaltung ist gleich: I2 = I3= I1=I. Der Spannungsabfall ist proportional zum Widerstand eines bestimmten Abschnitts. Die Gesamtspannung der Schaltung ist gleich der Summe der Spannungsabfälle in einzelnen Abschnitten der Schaltung: u \u2d u3 + UXNUMX + UXNUMX. Parallele Verbindung Leiter nennt man einen solchen Widerstand, wenn die Anfänge aller Leiter mit einem Punkt verbunden sind und die Enden der Leiter mit einem anderen Punkt verbunden sind. Der Anfang des Stromkreises wird mit einem Pol der Spannungsquelle verbunden, das Ende des Stromkreises mit dem anderen Pol. Bei einer Parallelschaltung von Leitern für den Stromdurchgang gibt es mehrere Möglichkeiten. Der zum Verzweigungspunkt fließende Strom breitet sich weiter entlang dreier Widerstände aus und ist gleich der Summe der diesen Punkt verlassenden Ströme: I= I1+ I2+ I3. Wenn die am Verzweigungspunkt ankommenden Ströme als positiv und diejenigen, die am Verzweigungspunkt ankommen, als negativ betrachtet werden, können wir für den Verzweigungspunkt schreiben: ?Iк = 0 (k nimmt Werte von 1 bis n an), d. h. die algebraische Summe der Ströme für Jeder Knotenpunkt des Stromkreises ist immer gleich Null. Diese Beziehung, die die Ströme an jedem Punkt im Zweig des Stromkreises verbindet, wird als erstes Kirchhoffsches Gesetz bezeichnet. Normalerweise sind bei der Berechnung von Stromkreisen die Richtungen der Ströme in den Zweigen, die an einen beliebigen Zweigpunkt angeschlossen sind, unbekannt. Um die Gleichung des ersten Kirchhoffschen Gesetzes aufschreiben zu können, ist es daher vor Beginn der Berechnung der Schaltung notwendig, die sogenannten positiven Stromrichtungen in allen Zweigen willkürlich auszuwählen und sie im Diagramm mit Pfeilen zu kennzeichnen . Aus dem Ohmschen Gesetz lässt sich eine Formel zur Berechnung des Gesamtwiderstandes bei Parallelschaltung von Verbrauchern ableiten. Der auf den Punkt kommende Gesamtstrom ist: I = U/R. Die Ströme in jedem der Zweige sind: I1 = U1 /R1; I2= U2 /R2; I3= U3 /R3. Nach dem ersten Kirchhoffschen Gesetz ist I = I1+I2+I3 oder U/R= U/R1+U/R2+U/R3. Wenn wir U auf der rechten Seite der Gleichung aus Klammern nehmen, erhalten wir: U/R = U(1/R1 + 1 /R2+ 1/R3). Wenn wir beide Seiten der Gleichung um U reduzieren, erhalten wir die Formel zur Berechnung der Gesamtleitfähigkeit: 1 /R=1/R1+1/r2+ 1/R3. Bei einer Parallelschaltung erhöht sich also nicht der Widerstand, sondern die Leitfähigkeit. Bei der Berechnung des Gesamtverzweigungswiderstandes fällt dieser immer kleiner aus als der kleinste in der Verzweigung enthaltene Widerstand. Wenn die parallel geschalteten Widerstände gleich sind, ist der Gesamtwiderstand R gleich dem Widerstand eines Zweigs R1 geteilt durch die Anzahl der Zweige n: R \u1d RXNUMX / n. Eine gemischte Verbindung von Leitern ist eine Verbindung, bei der sowohl serielle als auch parallele Verbindungen einzelner Leiter vorhanden sind. 57. ZWEITES KIRCHHOFFS GESETZ. ÜBERLAGERUNGSMETHODE Bei der Berechnung von Stromkreisen stößt man häufig auf Stromkreise, die geschlossene Schleifen bilden. Die Zusammensetzung solcher Schaltungen kann zusätzlich zum Widerstand auch elektromotorische Kräfte umfassen. Stellen Sie sich einen Abschnitt einer komplexen elektrischen Schaltung vor. Die Polarität aller MID ist gegeben.  Wir wählen willkürlich die positiven Richtungen der Ströme. Wir umrunden die Kontur von Punkt A in einer beliebigen Richtung, beispielsweise im Uhrzeigersinn. Betrachten Sie Abschnitt AB. In diesem Bereich tritt ein Potentialabfall auf (Strom fließt von einem Punkt mit höherem Potential zu einem Punkt mit niedrigerem Potential). Im Abschnitt AB: ?A + E1 - I1R1=?B. Auf der BV-Website: ?B - E2 - I2R2 = ?C. Auf der VG-Sektion: ?B = I3R3 + E3 = ?G. Auf der HA-Site: ?G - I4R4 = ?ABER. Wenn wir die vier obigen Gleichungen Term für Term addieren, erhalten wir: ?A + E1- I1R1 + ?B - E2 - I2R2 + ?B - I3R3 + E3 + ?G- I4R4 - ?B + ?B + ?G + ?A oder E1 - I1R1 - E2 - I2R2 - I3R3 + E3 - I4R4 = 0. Wenn wir das Produkt IR auf die rechte Seite übertragen, erhalten wir: Ё1 - Ё2 + Ё3 = I1R1 + I2R2 + I3R3 + I4R4. Dieser Ausdruck ist der zweite Kirchhoffsches Gesetz. Die Formel zeigt, dass in jedem geschlossenen Stromkreis die algebraische Summe der elektromotorischen Kräfte gleich der algebraischen Summe der Spannungsabfälle ist. Das Overlay-Verfahren wird zur Berechnung von Stromkreisen mit mehreren EMK verwendet. Das Wesen der Überlagerungsmethode besteht darin, dass der Strom in jedem Teil des Stromkreises als aus einer Anzahl von Teilströmen bestehend betrachtet werden kann, die von jeder einzelnen EMF verursacht werden, wobei der Rest der EMF gleich Null genommen wird. Bei Problemen gibt es Ketten, die nur zwei Knotenpunkte haben. Zwischen den Knotenpunkten können beliebig viele Verzweigungen enthalten sein. Die Berechnung solcher Schaltungen wird durch die Verwendung der Knotenspannungsmethode stark vereinfacht. und \u1d (E1d2 + E2d3 + E3d1) / (d2 + d3 + d4 + dXNUMX). Der Zähler der Knotenspannungsformel repräsentiert die algebraische Summe der Produkte der EMF der Zweige. Im Nenner der Formel ist die Summe der Leitfähigkeiten aller Zweige angegeben. Wenn die EMK eines Zweigs eine Richtung hat, die der im Diagramm angegebenen entgegengesetzt ist, wird sie mit einem Minuszeichen in die Formel für die Knotenspannung aufgenommen. Das Schleifenstromverfahren dient zur Berechnung komplexer elektrischer Schaltungen mit mehr als zwei Knotenströmen. Das Wesen der Methode liegt in der Annahme, dass jeder Stromkreis seinen eigenen Strom hat. Dann fließt in den gemeinsamen Bereichen, die sich an der Grenze zweier benachbarter Stromkreise befinden, ein Strom, der gleich der algebraischen Summe der Ströme dieser Stromkreise ist. 58. ELEKTROLYSE. DAS ERSTE UND DAS ZWEITE FARADAY-GESETZ Der Strom, der durch die flüssigen Leiter fließt, zerlegt sie in ihre Bestandteile. Daher werden flüssige Leiter genannt Elektrolyte. Die Zersetzung von Elektrolyten unter Einwirkung eines elektrischen Stroms wird genannt Elektrolyse. Die Elektrolyse wird in Galvanikbädern durchgeführt. galvanisches Bad ist ein Gefäß, in das eine Flüssigkeit gegossen wird - ein Elektrolyt, der durch Strom zersetzt wird. Zwei Platten (z. B. Kohlenstoff) werden in ein Gefäß mit Elektrolyt abgesenkt, das als Elektroden dient. Wir verbinden den Minuspol der Gleichstromquelle mit einer Elektrode (Kathode) und den Pluspol mit der anderen Elektrode (Anode) und schließen den Stromkreis. Das Phänomen der Elektrolyse geht mit der Freisetzung einer Substanz an den Elektroden einher. Bei der Elektrolyse werden an der Kathode stets Wasserstoff und Metalle freigesetzt. Daraus folgt, dass der Ursprung des Stroms durch flüssige Leiter mit der Bewegung der Atome der Substanz zusammenhängt. Ein neutrales Molekül einer Substanz zerfällt (dissoziiert) beim Eintritt in ein Lösungsmittel in Teile – Ionen, die gleiche und entgegengesetzte elektrische Ladungen tragen. Dies wird durch die Tatsache erklärt, dass die Wechselwirkungskraft zwischen Ladungen in einem Medium mit der elektrischen Permittivität e um das E-fache abnimmt. Daher werden die Kräfte, die ein Molekül einer Substanz in einem Lösungsmittel mit hoher elektrischer Permeabilität binden, schwächer und die thermischen Kollisionen der Moleküle reichen aus, damit sie beginnen, sich in Ionen zu teilen, d.h. e. dissoziieren. Zusammen mit der Dissoziation von Molekülen in Lösung tritt der umgekehrte Prozess auf - die Wiedervereinigung von Ionen zu neutralen Molekülen (Molisierung). Säuren dissoziieren in positiv geladene Wasserstoffionen und negativ geladene Ionen des Säurerestes. Alkalien dissoziieren in Metallionen und Wasserrückstandsionen. Salze dissoziieren in Metallionen und Säurerestionen. Wird an die Elektroden eine konstante Spannung angelegt, entsteht zwischen den Elektroden ein elektrisches Feld. Positiv geladene Ionen bewegen sich zur Kathode, negativ geladene Ionen zur Anode. Beim Erreichen der Elektroden werden die Ionen neutralisiert. Das Phänomen der Elektrolyse wurde von Faraday aus quantitativer und qualitativer Perspektive untersucht. Er stellte fest, dass die bei der Elektrolyse an den Elektroden freigesetzte Stoffmenge proportional zum Strom und der Zeit seines Durchgangs ist, also mit anderen Worten zur Stoffmenge, die durch den Elektrolyten fließt. Dies ist Faradays erstes Gesetz. Der gleiche Strom, der zur gleichen Zeit durch verschiedene Elektrolyte fließt, setzt an den Elektroden unterschiedliche Stoffmengen frei. Die Menge einer Substanz in Milligramm, die bei einem Strom von 1 A für 1 s an der Elektrode freigesetzt wird, wird als elektrochemisches Äquivalent bezeichnet und mit b bezeichnet. Das erste Gesetz von Faraday wird durch die Formel ausgedrückt: m=a/t. Das chemische Äquivalent (m) eines Stoffes ist das Verhältnis von Atomgewicht (A) zu Wertigkeit (n): m = A / n. Das zweite Gesetz von Faraday zeigt, von welchen Eigenschaften einer Substanz der Wert ihres elektrochemischen Äquivalents abhängt. Elektrolyse hat breite Anwendung in der Technik gefunden. 1. Überziehen von Metallen mit einer Schicht aus einem anderen Metall durch Elektrolyse (Galvanik). 2. Erhalten von Kopien von Objekten durch Elektrolyse (Galvanik). 3. Veredelung (Reinigung) von Metallen. 59. BATTERIEN Um Steuerkreise, Schutzgeräte, Signalisierung, Automatisierung, Notbeleuchtung, Antriebe und Haltespulen von Hochgeschwindigkeitsschaltern, Hilfsmechanismen in Kraftwerken und Umspannwerken mit Strom zu versorgen, muss eine solche elektrische Energiequelle vorhanden sein, deren Betrieb nicht davon abhängt über den Zustand der Haupteinheiten des Kraftwerks oder Umspannwerks. Diese Energiequelle muss einen ununterbrochenen und genauen Betrieb dieser Stromkreise sowohl während des normalen Betriebs der Anlage als auch im Falle eines Unfalls gewährleisten. Eine solche Energiequelle ist in Kraftwerken und Umspannwerken Akkumulator-Batterie. Eine rechtzeitig geladene Batterie mit großer Kapazität kann die Pantographen während der gesamten Unfallzeit mit Strom versorgen. Batterien werden auch für die Beleuchtung von Autos, Eisenbahnwaggons, die Bewegung von Elektroautos und U-Booten, für die Stromversorgung von Funkanlagen und verschiedenen Geräten, in Labors und für andere Zwecke verwendet. Die Batterie ist eine sekundäre elektrische Spannungsquelle, da sie im Gegensatz zu galvanischen Zellen nur nach einer Vorladung Energie abgeben kann. Das Aufladen der Batterie besteht darin, dass sie an eine Konstantspannungsquelle angeschlossen ist. Durch den Elektrolyseprozess ändert sich der chemische Zustand der Batterieplatten und es stellt sich zwischen ihnen eine gewisse Potentialdifferenz ein. Komplettiert wird der Akku durch eine Reihe von Blei-Säure- oder Alkali-Akkumulatoren. Eine Blei-Säure-Batterie besteht aus mehreren positiven und negativen Platten, die in einen Behälter mit Elektrolyt eingetaucht sind. Der Elektrolyt ist eine Lösung von Schwefelsäure in destilliertem Wasser. Batterieplatten sind oberflächlich und massiv. Richtplatten bestehen aus reinem Blei. Um die Oberfläche der Platten zu vergrößern, werden sie gerippt. Masseplatten sind ein Bleigitter, in dessen Zellen Bleioxide eingeschmiert sind. Um zu verhindern, dass die Masse aus den Zellen fällt, ist die Platte auf beiden Seiten mit Bleiblechen mit Löchern abgedeckt. Typischerweise besteht die positive Platte der Batterie aus einer Oberflächenplatte und die negative Platte aus einer Masseplatte. Separate positive Platten sowie negative Platten werden in zwei voneinander isolierten Blöcken verlötet. Damit positive Platten auf beiden Seiten funktionieren, werden sie um eins mehr genommen als negative. Es gibt zwei Arten von Alkalibatterien: Cadmium-Nickel und Eisen-Nickel. Alkalische Batterieplatten sind vernickelte Stahlrahmen mit Zellen, in denen Beutel aus dünnem vernickeltem perforiertem Stahl platziert sind. Die aktive Masse wird in die Beutel gepresst. Der Behälter von Alkalibatterien ist eine geschweißte Stahlbox, in deren Deckel sich drei Löcher befinden: zwei zum Herausziehen von Klemmen und eine zum Einfüllen des Elektrolyts und austretender Gase. Vorteile: Fehlblei wird nicht verbraucht; große Ausdauer und mechanische Stärke haben; bei längerer Exposition erleiden sie geringe Verluste bei der Selbstentladung und verschlechtern sich nicht; emittieren weniger schädliche Gase und Dämpfe; weniger Gewicht haben. Nachteile: niedrigere EMF; geringerer Wirkungsgrad; höhere Kosten. 60. ELEKTRISCHE GLÜHLAMPEN Die Glühlampe wurde von einem russischen Wissenschaftler erfunden EIN. Lodygin und wurde ihnen erstmals 1873 gezeigt. Das Funktionsprinzip einer Glühlampe basiert auf der starken Erwärmung eines Leiters (Glühfaden), wenn ein elektrischer Strom durch ihn fließt. In diesem Fall beginnt der Leiter neben thermischer auch Lichtenergie auszusenden. Damit das Filament nicht durchbrennt, muss es in einen Glaskolben gebracht werden, aus dem Luft abgepumpt wird. So sind die sogenannten Hohllampen angeordnet. Anfänglich wurde als Filament Kohlenstoff-Filament verwendet, das durch Calcinieren von Pflanzenfasern erhalten wurde. Lampen mit einem solchen Glühfaden strahlten ein schwaches, gelbliches Licht aus und verbrauchten Strom. Der auf 1700° erhitzte Kohlefaden brannte allmählich durch, was zu einem relativ schnellen Tod der Lampe führte. Kohlefadenlampen sind heute außer Gebrauch. Heute wird in Glühlampen statt einer Kohlewendel eine Wendel aus den Refraktärmetallen Osmium oder Wolfram verwendet. Ein Glühfaden aus Wolfram, der in Hohllampen auf bis zu 2200° erhitzt wird und ein helleres Licht abgibt, verbraucht weniger Strom als ein Glühfaden aus Kohle. Das Durchbrennen des Glühfadens wird verringert, wenn der Glaskolben (Zylinder) der Lampe mit einem Gas gefüllt ist, das die Verbrennung nicht unterstützt, wie z. B. Stickstoff oder Argon. Solche Lampen werden als gasgefüllt bezeichnet. Die Temperatur des Glühfadens während des Betriebs einer solchen Lampe erreicht 2800 °. Unsere Industrie produziert Glühlampen für Spannungen von 36, 110, 127 und 220 V. Für spezielle Zwecke werden auch Lampen für andere Spannungen hergestellt. Glühlampen haben einen sehr geringen Wirkungsgrad. In ihnen werden nur etwa 4-5 % der gesamten elektrischen Energie, die von der Lampe verbraucht wird, in Lichtenergie umgewandelt; der Rest der Energie wird in Wärme umgewandelt. Mittlerweile sind Gaslampen weit verbreitet. Sie nutzen die Eigenschaft verdünnter Gase, zu glühen, wenn elektrischer Strom durch sie fließt. Das von einer Gaslampe abgegebene Licht hängt von der Beschaffenheit des Gases ab. Neon erzeugt rot-oranges Licht, Argon erzeugt blau-violettes Licht und Helium erzeugt gelblich-rosa Licht. Gaslampen werden mit Hochspannungswechselstrom betrieben, der über Transformatoren gewonnen wird. Diese Lampen finden Anwendung für Beschilderungen, Werbung und Beleuchtung. Unsere Industrie stellt auch Lampen her, die verdünnten Quecksilberdampf in ihren Glasröhren enthalten. Indem Strom durch sie hindurchgeleitet wird, können die Dämpfe leicht zum Leuchten gebracht werden. Die Innenfläche der Lampenröhre ist mit einer speziellen Verbindung beschichtet - einem Leuchtstoff, der unter Einwirkung des Glühens von Quecksilberdampf leuchtet. Diese Lampen werden genannt Leuchtstofflampen. Derzeit werden drei Arten von Leuchtstofflampen hergestellt: Leuchtstofflampen, die zur Beleuchtung von Orten verwendet werden, an denen eine Farbunterscheidung erforderlich ist - Druckerei, Baumwollindustrie usw.; Weißlichtlampen zur Beleuchtung von Industrie-, Büro- und Wohnräumen; warmweiße Lampen zur Beleuchtung von Museen, Theatern und Kunstgalerien. Leuchtstofflampen sind viermal effizienter als herkömmliche Glühlampen. 61. ELEKTRISCHES SCHWEISSEN Es gibt zwei Arten des Elektroschweißens: 1) Bogen; 2) elektrisches Widerstandsschweißen. Das Lichtbogenschweißen wurde von einem russischen Ingenieur erfunden N.N. Benardos im Jahr 1882 Beim Lichtbogenschweißen wird die von einem Lichtbogen erzeugte Wärme genutzt. Beim Schweißen nach der Benardos-Methode wird ein Pol der Spannungsquelle an den Kohlenstoffstab und der andere Pol an die zu schweißenden Teile angeschlossen. Ein dünner Metallstab wird in die Flamme eines Lichtbogens eingeführt, der schmilzt, und geschmolzene Metalltropfen, die auf die Teile herabfließen und sich verfestigen, bilden eine Schweißnaht. 1891 ein russischer Ingenieur NG Slawjanow schlug eine andere Methode des Lichtbogenschweißens vor, die am weitesten verbreitet war. Elektroschweißen nach dem Slavyanov-Verfahren ist wie folgt. Der Kohlestab wird durch eine Metallelektrode ersetzt. Die Elektrode selbst schmilzt und das geschmolzene Metall verbindet beim Erstarren die zu schweißenden Teile. Nach Gebrauch der Elektrode wird diese durch eine neue ersetzt. Vor dem Schweißen des Teils muss es gründlich von Rost, Zunder, Öl und Schmutz mit einem Meißel, einer Feile und einem Sandpapier gereinigt werden. Um einen stabilen Lichtbogen zu erzeugen und eine starke Naht zu erhalten, werden Metallelektroden mit speziellen Verbindungen beschichtet. Eine solche Beschichtung schmilzt auch während des Schmelzens der Elektrode und lässt sie nicht oxidieren, wenn sie über die stark erhitzten Oberflächen der zu schweißenden Teile gegossen wird. Elektrisches Widerstandsschweißen. Wenn Sie zwei Metallteile dicht aneinander legen und einen starken elektrischen Strom durch sie leiten, werden diese aufgrund der Wärmeabgabe an der Kontaktstelle der Teile (aufgrund des hohen Übergangswiderstands) auf eine hohe Temperatur erhitzt und verschweißt. Gegenwärtig hat das Elektroschweißen, sowohl Lichtbogen- als auch Widerstandsschweißen, einen festen Platz in der Branche eingenommen und ist sehr weit verbreitet. Sie schweißen Bleche und Winkel, Träger und Schienen, Masten und Rohre, Fachwerke und Kessel, Schiffe usw. Schweißen dient der Neuanfertigung und Reparatur alter Teile aus Stahl, Gusseisen und NE-Metallen. Es wurden neue Methoden zum Elektroschweißen entwickelt: Unterwasser-Elektroschweißen; automatisches Schweißen; Schweißen mit Wechselstrom (das Gerät verfügt über einen besonderen Teil – einen Oszillator, dessen Aufgabe es ist, Wechselstrom mit hoher Spannung und sehr hoher Frequenz zu erzeugen, der beim Schweißen dünner und dicker Metallteile eine stabile Lichtbogenbrennung gewährleistet). Beim Schließen und Öffnen eines Leistungsschalters oder Leistungsschalters sowie beim Schließen und Öffnen der Kontakte von Geräten und Apparaten schmilzt ein zwischen den Kontakten auftretender elektrischer Funke und häufig der darauf folgende Lichtbogen das Metall und die Kontakte brennen oder schweißen, wodurch der Betrieb der Anlage gestört wird. Dieses Phänomen wird elektrische Erosion genannt. Der Funke bei seinem Erscheinen "nagt" sozusagen am Metall. Um den Funken zu bekämpfen, wird manchmal parallel zur Funkenstrecke ein Kondensator mit einer bestimmten Kapazität zwischen den Kontakten eingefügt. Ingenieure B. R. Lazarenko und I.N. Lazarenko nutzte die Eigenschaft eines elektrischen Funkens, um in einer von ihnen entworfenen elektroerosiven Anlage "Metall zu nagen". Der Betrieb der Anlage ist grundsätzlich wie folgt. Ein Draht von einer Spannungsquelle ist mit dem Metallstab verbunden. Der andere Draht wird mit dem Werkstück verbunden, das sich im Öl befindet. Ein Metallstab wird zum Schwingen gebracht. Ein elektrischer Funke, der zwischen der Stange und dem Teil auftritt, „nagt“ an dem Teil, wodurch ein Loch entsteht, das der Form des Stangenabschnitts entspricht (sechseckig, quadratisch, dreieckig usw.). 62. ELEKTROMAGNETISMUS Ein Magnetfeld ist eine der beiden Seiten des elektromagnetischen Feldes, angeregt durch die elektrischen Ladungen bewegter Teilchen und eine Änderung des elektrischen Feldes und gekennzeichnet durch eine Kraftwirkung auf bewegte geladene Teilchen und damit auf elektrische Ströme. Die Richtung der magnetischen Induktionslinien ändert sich mit einer Änderung der Stromrichtung im Leiter. Magnetische Induktionslinien um einen Leiter haben folgende Eigenschaften: 1) die magnetischen Induktionslinien eines geraden Leiters haben die Form konzentrischer Kreise; 2) je näher am Leiter, desto dichter sind die magnetischen Induktionslinien; 3) magnetische Induktion (Feldstärke) hängt von der Größe des Stroms im Leiter ab; 4) Die Richtung der magnetischen Induktionslinien hängt von der Richtung des Stroms im Leiter ab. Die Richtung magnetischer Induktionslinien um einen stromdurchflossenen Leiter herum lässt sich mit der „Gimlet-Regel“ bestimmen. Wenn sich ein Gimlet (Korkenzieher) mit Rechtsgewinde in Stromrichtung vorwärts bewegt, stimmt die Drehrichtung des Griffs mit der Richtung der magnetischen Induktionslinien um den Leiter überein. Das Magnetfeld ist durch einen magnetischen Induktionsvektor gekennzeichnet, der eine bestimmte Größe und eine bestimmte Richtung im Raum hat. Eine Tangente an jeden Punkt, die mit der Richtung des magnetischen Induktionsvektors zusammenfällt, wird als magnetische Induktionslinie oder magnetische Induktionslinie bezeichnet. Das Produkt aus magnetischer Induktion und der Größe der Fläche senkrecht zur Feldrichtung (magnetischer Induktionsvektor) wird Fluss des magnetischen Induktionsvektors oder einfach magnetischer Fluss genannt und mit dem Buchstaben Ф bezeichnet: Ф = BS. Die Einheit Die Messgröße ist Weber (Wb). Solenoid Ein gewickelter Leiter wird genannt, durch den ein elektrischer Strom geleitet wird. Um die Pole des Solenoids zu bestimmen, verwenden sie die "Regel des Gimlets" und wenden sie wie folgt an: Wenn Sie den Gimlet entlang der Achse des Solenoids platzieren und ihn in Richtung des Stroms in den Windungen des Solenoids drehen, dann zeigt die Translationsbewegung des Bohrers die Richtung des Magnetfelds an. Ein Solenoid mit einem Stahlkern (Eisen) im Inneren wird genannt Elektromagnet. Das Magnetfeld eines Elektromagneten ist stärker als das eines Elektromagneten, da das in den Elektromagneten eingebettete Stahlstück magnetisiert und das resultierende Magnetfeld verstärkt wird. Die Pole eines Elektromagneten lassen sich wie bei einem Elektromagneten nach der „Gimlet-Regel“ bestimmen. Der magnetische Fluss eines Solenoids (Elektromagneten) nimmt mit zunehmender Windungszahl und Stromstärke zu. Die Magnetisierungskraft hängt vom Produkt aus Strom und Windungszahl ab. Sie können den magnetischen Fluss des Elektromagneten auf folgende Weise erhöhen: 1) Setzen Sie einen Stahlkern in das Solenoid ein und verwandeln Sie es in einen Elektromagneten; 2) den Querschnitt des Stahlkerns des Elektromagneten vergrößern (weil bei einem gegebenen Strom, einer gegebenen Magnetfeldstärke und damit einer magnetischen Induktion eine Vergrößerung des Querschnitts zu einer Erhöhung des Magnetflusses führt); 3) Verringern Sie den Luftspalt des Elektromagneten (denn mit abnehmendem Weg der Magnetlinien durch die Luft nimmt der magnetische Widerstand ab). 63. ELEKTROMAGNETISCHE INDUKTION Das Phänomen der EMF in einem Stromkreis, wenn er von einem Magnetfeld durchquert wird, wird als bezeichnet Elektromagnetische Induktion und wurde von einem englischen Physiker entdeckt M. Faradeem im Jahr 1831 Ein stromdurchflossener Leiter ist von einem Magnetfeld umgeben. Wenn Sie die Größe oder Richtung des Stroms im Leiter ändern oder den Stromkreis öffnen und schließen, der den Leiter mit Strom versorgt, ändert sich das Magnetfeld, das den Leiter umgibt. Beim Ändern kreuzt das Magnetfeld des Leiters denselben Leiter und induziert darin eine EMF. Dieses Phänomen wird als Selbstinduktion bezeichnet. Die induzierte EMK selbst wird als Selbstinduktions-EMK bezeichnet. Induzierte EMF treten in den folgenden Fällen auf. 1. Wenn ein sich bewegender Leiter ein festes Magnetfeld kreuzt oder umgekehrt ein sich bewegendes Magnetfeld einen festen Leiter kreuzt; oder wenn sich ein Leiter und ein Magnetfeld, die sich im Raum bewegen, relativ zueinander bewegen. 2. Wenn ein magnetisches Wechselfeld eines Leiters, das auf einen anderen Leiter wirkt, darin eine EMF induziert. 3. Wenn das sich ändernde Magnetfeld des Leiters darin eine EMF induziert (Selbstinduktion). Um die induzierte EMF im Leiter zu bestimmen, wird die „Rechte-Hand-Regel“ verwendet: Wenn Sie Ihre rechte Hand gedanklich in ein Magnetfeld entlang des Leiters legen, so dass die aus dem Nordpol kommenden magnetischen Linien in die Handfläche und den Daumen eintreten gebogen mit der Bewegungsrichtung des Leiters übereinstimmt, dann zeigen die vier ausgestreckten Finger die Richtung der induzierten EMK im Leiter. Der Wert der induzierten EMK im Leiter hängt ab von: 1) von der Größe der Induktion des Magnetfelds, denn je dichter die magnetischen Induktionslinien sind, desto größer ist die Anzahl von ihnen, die den Leiter pro Zeiteinheit kreuzen; 2) von der Geschwindigkeit des Leiters in einem Magnetfeld, da der Leiter bei hoher Bewegungsgeschwindigkeit mehr Induktionslinien pro Zeiteinheit überqueren kann; 3) von der Arbeitslänge (befindet sich in einem Magnetfeld) des Leiters, da ein langer Leiter mehr Induktionslinien pro Zeiteinheit kreuzen kann; 4) auf dem Wert des Sinus des Winkels zwischen der Bewegungsrichtung des Leiters und der Richtung des Magnetfelds. 1834 ein russischer Akademiker E.Kh. Lenz gab eine universelle Regel zur Bestimmung der Richtung der induzierten EMK in einem Leiter. Diese als Lenzsche Regel bekannte Regel wird wie folgt formuliert: Die Richtung der induzierten EMK ist immer gleich, der von ihr verursachte Strom und sein Magnetfeld haben eine solche Richtung, dass sie dazu neigen, die Ursache zu stören, die diese erzeugt induzierte EMK. Die Ströme, die in metallischen Körpern induziert werden, wenn sie von magnetischen Linien gekreuzt werden, werden Wirbelströme oder Foucault-Ströme genannt. Um Wirbelstromverluste zu reduzieren, werden die Anker von Generatoren, Elektromotoren und Transformatorkernen aus separaten dünnen (0,35–0,5 mm) gestanzten Blechen aus Weichstahl zusammengesetzt, die in Richtung der magnetischen Flusslinien angeordnet und mit Lack oder voneinander isoliert sind dünnes Papier. Dies geschieht, um aufgrund des kleinen Querschnitts jedes Stahlblechs die Menge des durch es hindurchgehenden magnetischen Flusses zu verringern und daher die darin induzierte EMF und den darin induzierten Strom zu verringern. Wirbelströme sind nützlich. Diese Ströme werden verwendet, um Stahlprodukte mit Hochfrequenzströmen beim Betrieb von induktiven elektrischen Messgeräten, Messgeräten und Wechselstromrelais zu härten. 64. WECHSELSTROM EMPFANGEN Zwischen den Polen eines Elektromagneten sei ein gleichmäßiges Magnetfeld gebildet. Innerhalb des Feldes dreht sich unter Einwirkung einer äußeren Kraft ein geradliniger Metallleiter im Kreis im Uhrzeigersinn. Der Schnittpunkt von Leitern magnetischer Linien führt zum Auftreten einer induzierten EMK im Leiter. Die Größe dieser EMF hängt von der Größe der magnetischen Induktion, der aktiven Länge des Leiters, der Geschwindigkeit, mit der der Leiter magnetische Linien kreuzt, und dem Sinus des Winkels zwischen der Bewegungsrichtung des Leiters und der Richtung des Leiters ab Magnetfeld. ?= Bl?sin?. Wir zerlegen die Umfangsgeschwindigkeit in zwei Komponenten - normal und tangential zur Richtung der magnetischen Induktion. Die Normalkomponente der Geschwindigkeit bestimmt die induzierte EMK der Induktion und ist gleich: ?n = ?sin? Die tangentiale Geschwindigkeitskomponente nimmt nicht an der Erzeugung der induzierten EMF teil und ist gleich: Beim Bewegen nimmt der Dirigent verschiedene Positionen ein. Bei einer vollständigen Umdrehung des Leiters steigt die EMK darin zunächst von Null auf einen Maximalwert an, fällt dann auf Null ab und steigt bei Richtungsänderung wieder auf einen Maximalwert an und fällt wieder auf Null ab. Bei weiterer Bewegung des Leiters wiederholen sich Änderungen der EMK. Im äußeren Stromkreis fließt ein Strom unterschiedlicher Größe und Richtung. Dieser Strom heißt Variablen im Gegensatz zu dauerhaft, die galvanische Zellen und Batterien ergeben. Variable EMF und Wechselstrom ändern periodisch ihre Richtung und Größe. Der Wert einer Größe (Strom, Spannung und EMK) zum betrachteten Zeitpunkt wird Momentanwert genannt. Der größte der Momentanwerte einer Variablen wird als Maximal- oder Amplitudenwert bezeichnet und mit Im, Um bezeichnet. Die Zeitspanne, nach der sich Änderungen in der Variablen wiederholen, wird als Periode T (gemessen in Sekunden) bezeichnet. Die Anzahl der Perioden pro Zeiteinheit wird als Frequenz des Wechselstroms bezeichnet und mit v (gemessen in Hertz) bezeichnet. In der Technik werden Ströme unterschiedlicher Frequenz verwendet. Die Standardindustriefrequenz in Russland beträgt -50 Hz. EMF im Leiter wird nach dem Sinusgesetz induziert. Dieses EMF heißt sinusförmig. Der sinusförmige Wechselstrom während der Periode hat unterschiedliche Momentanwerte. Die Wirkungen des Stroms werden weder durch die Amplitude noch durch Momentanwerte bestimmt. Um die Wirkung von Wechselstrom zu bewerten, vergleichen wir sie mit der thermischen Wirkung von Gleichstrom. Die durch den Widerstand fließende Gleichstromleistung ist C = I2R. Die Beziehung zwischen den Effektiv- und Spitzenwerten der Stromstärke und der Wechselspannung hat die Form: Im = I?2, Um = U?2. Der Effektivwert eines Wechselstroms ist gleich einem solchen Gleichstrom, der beim Durchgang durch den gleichen Widerstand wie der Wechselstrom in der gleichen Zeit die gleiche Energiemenge freisetzt. 65. WECHSELSTROMKREISE Betrachten Sie eine Schaltung, die aus dem Widerstand R besteht. Der Einfachheit halber vernachlässigen wir den Einfluss von Induktivität und Kapazität. An den Schaltungsanschlüssen wird eine sinusförmige Spannung u = Umsin?t angelegt. Nach dem Ohmschen Gesetz beträgt der Momentanwert des Stroms: i \uXNUMXd u / r =(Um / r)sin?t = Ich bin sin?t. Die Leistungsformel für einen Wechselstromkreis mit aktivem Widerstand ist dieselbe wie die Leistungsformel für einen Gleichstromkreis: P \u2d IXNUMXR Alle Leiter haben einen aktiven Widerstand. In einem Wechselstromkreis haben die Glühfäden von Glühlampen, Spiralen von Elektroheizungen und Rheostaten, Bogenlampen und lange gerade Leiter fast nur einen aktiven Widerstand. Stellen Sie sich einen Wechselstromkreis vor, der eine Spule mit der Induktivität L ohne Stahlkern enthält. Der Einfachheit halber nehmen wir an, dass der aktive Widerstand der Spule sehr klein ist und vernachlässigt werden kann. Mit der größten Geschwindigkeit ändert sich der Strom in der Nähe seiner Nullwerte. In der Nähe der Maximalwerte nimmt die Änderungsrate des Stroms ab, und beim Maximalwert des Stroms ist sein Anstieg gleich Null. Wechselstrom variiert also nicht nur in Größe und Richtung, sondern auch in der Änderungsgeschwindigkeit. Ein Wechselstrom, der durch die Windungen der Spule fließt, erzeugt ein magnetisches Wechselfeld. Die magnetischen Linien dieses Feldes, die die Windungen ihrer eigenen Spule kreuzen, induzieren in ihnen eine EMF der Selbstinduktion. Da die Induktivität der Spule in unserem Fall unverändert bleibt, hängt die EMF der Selbstinduktion nur von der Änderungsrate des Stroms ab. Die höchste Stromänderungsrate tritt in der Nähe von Nullstromwerten auf. Folglich hat die EMF der Selbstinduktion in denselben Momenten den größten Wert. Zum Anfangszeitpunkt steigt der Strom steil und schnell von Null an und hat daher einen negativen Maximalwert. Da der Strom ansteigt, sollte die EMK der Selbstinduktion nach der Lenz-Regel verhindern, dass sich der Strom ändert. Daher hat die EMF der Selbstinduktion mit zunehmendem Strom eine Richtung, die dem Strom entgegengesetzt ist. Die Stromänderungsrate nimmt ab, wenn sie sich dem Maximum nähert. Daher nimmt auch die EMK der Selbstinduktion ab, bis sie schließlich beim maximalen Strom, wenn ihre Änderungen gleich Null sind, gleich Null wird. Der Wechselstrom, der ein Maximum erreicht hat, beginnt abzunehmen. Nach der Lenzschen Regel verhindert die EMK der Selbstinduktion das Absinken des Stroms und unterstützt ihn, bereits in Stromflussrichtung gerichtet. Bei einer weiteren Änderung fällt der Wechselstrom schnell auf Null ab. Eine starke Abnahme des Stroms in der Spule führt auch zu einer schnellen Abnahme des Magnetfelds, und als Ergebnis des Schnittpunkts der Magnetlinien der Windungen der Spule wird in ihnen die größte EMF der Selbstinduktion induziert . Da die Selbstinduktions-EMK in Wechselstromkreisen ständig Stromänderungen entgegenwirkt, muss die Netzspannung die Selbstinduktions-EMK ausgleichen, damit Strom durch die Windungen der Spule fließen kann. Das heißt, die Spannung des Netzwerks muss zu jedem Zeitpunkt gleich und entgegengesetzt zur EMF der Selbstinduktion sein. Der Wert XL = ?L wird aufgerufen induktive Reaktanz, Dies ist eine Art Hindernis, das der Stromkreis haben muss, um den Strom darin zu ändern. Der Wert XC = 1/(?C) wird aufgerufen kapazitiver Widerstand, die wie die induktive Reaktanz von der Frequenz des Wechselstroms abhängt. 66. SCHWINGUNGSKREIS Stellen Sie sich den Fall vor, Wechselstrom durch Entladen eines Kondensators an eine Spule zu erhalten. Ein geladener Kondensator hat einen Vorrat an elektrischer Energie. Wenn sie mit der Spule kurzgeschlossen wird, beginnt sie sich zu entladen und die Zufuhr von elektrischer Energie in ihr nimmt ab. Der Entladestrom des Kondensators, der durch die Windungen der Spule fließt, erzeugt ein Magnetfeld. Folglich beginnt die Spule, magnetische Energie zu speichern. Wenn der Kondensator vollständig entladen ist, wird seine elektrische Energie Null. In diesem Moment wird die Spule maximal mit magnetischer Energie versorgt. Jetzt wird die Spule selbst zu einem Generator von elektrischem Strom und beginnt, den Kondensator wieder aufzuladen. Die Selbstinduktions-EMK, die in der Spule während des Zeitraums des Magnetfeldwachstums auftritt, verhinderte, dass der Strom ansteigt. Wenn nun das Magnetfeld der Spule abnimmt, neigt die EMF der Selbstinduktion dazu, den Strom in der gleichen Richtung zu halten. In dem Moment, in dem die magnetische Energie der Spule gleich Null wird, werden die Kondensatorplatten entgegengesetzt zu ihrer ursprünglichen Ladung aufgeladen, und wenn der Widerstand des Stromkreises Null ist, erhält der Kondensator die anfängliche Versorgung mit elektrische Energie. Dann erhält der Kondensator die anfängliche Versorgung mit elektrischer Energie. Dann beginnt sich der Kondensator wieder zu entladen, wodurch ein Rückstrom im Stromkreis entsteht, und der Vorgang wird wiederholt. Die wechselseitigen Umwandlungen von elektrischer Energie in magnetische Energie und umgekehrt bilden die Grundlage für den Vorgang der elektromagnetischen Schwingungen. Ein aus Kapazität und Induktivität bestehender Stromkreis, in dem der Vorgang elektromagnetischer Schwingungen abläuft, wird als bezeichnet Schwingkreis. In einem Schwingkreis auftretende periodische Energieschwankungen könnten sich in Form von ungedämpften Schwingungen unendlich fortsetzen, wenn es keine Verluste im Schwingkreis selbst gäbe. Das Vorhandensein eines aktiven Widerstands führt jedoch dazu, dass die Energiereserve der Schaltung aufgrund von Wärmeverlusten im aktiven Widerstand mit jeder Periode abnimmt, wodurch die Schwingungen absterben. Die Periodendauer elektromagnetischer Schwingungen, die in einem Schwingkreis ohne Widerstand auftreten, wird durch die Thomson-Formel bestimmt. Es gibt zwei Möglichkeiten, die Zeit der Schwingungsperiode der Schaltung zu ändern - durch Ändern der Induktivität der Spule oder der Kapazität des Kondensators. Beide Verfahren werden zu diesem Zweck in der Funktechnik eingesetzt. Ein Schwingkreis ist ein notwendiges Zubehör für jeden Funkempfänger und Funksender. Das Prinzip der Funkübertragung ist wie folgt. Mit Hilfe von Röhrengeneratoren werden in der Antenne des sendenden Radiosenders elektromagnetische Schwingungen erzeugt. Die Schwingungsamplitude hängt von einer Reihe von Faktoren ab, einschließlich der Strommenge, die in der Mikrofonschaltung fließt, die Schallschwingungen aufgrund von Sprache oder Musik empfängt. Veränderungen in hochfrequenten Schwingungen mit Hilfe von Schallschwingungen werden genannt Modulation. Die Funkkommunikation wurde zuerst von einem herausragenden russischen Wissenschaftler durchgeführt WIE. Popow (1859-1905). 67. DREHSTROM Mehrphasensystem wird ein Satz variabler EMF derselben Frequenz genannt und in der Phase relativ zueinander um beliebige Winkel verschoben. Jeder EMF kann in seinem eigenen Stromkreis arbeiten und nicht mit einem anderen EMF verbunden sein. Ein solches System heißt unabhängig. Der Nachteil eines entkoppelten Mehrphasensystems ist eine große Anzahl von Drähten, gleich 2 m. So sind beispielsweise sechs Drähte erforderlich, um Strom durch ein Dreiphasensystem zu übertragen. Ein Mehrphasensystem, bei dem die einzelnen Phasen elektrisch miteinander verbunden sind, wird als gekoppeltes Mehrphasensystem bezeichnet. Drehstrom hat wichtige Vorteile: 1) bei Übertragung der gleichen Leistung durch Mehrphasenstrom ist ein geringerer Leitungsquerschnitt erforderlich als bei Einphasenstrom; 2) Mit Hilfe fester Spulen oder Wicklungen erzeugt es ein rotierendes Magnetfeld, das beim Betrieb von Motoren und verschiedenen Wechselstromgeräten verwendet wird. Von den Mehrphasenstromsystemen hat Drehstrom die praktischste Anwendung gefunden. Es stellt sich wie folgt heraus. Wenn drei Windungen in einem gleichmäßigen Magnetfeld der Pole angeordnet sind, jede von ihnen in einem Winkel von 120 ° zueinander angeordnet ist und die Windungen mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit gedreht werden, wird eine EMF induziert Windungen, die ebenfalls um 120° phasenverschoben werden. In der Praxis werden, um einen Drehstrom zu erhalten, drei Wicklungen auf dem Stator einer Lichtmaschine hergestellt, die um 120° gegeneinander verschoben sind. Sie werden Phasenwicklungen oder einfach Generatorphasen genannt. Ein entkoppeltes Drehstromsystem wird in der Praxis nicht verwendet. Die Phasenwicklungen von Generatoren und Verbrauchern von Drehstrom sind nach dem Stern- oder Dreiecksschema angeschlossen. Wenn die Phasenwicklungen des Generators oder Verbrauchers so verbunden sind, dass die Enden der Wicklungen an einem gemeinsamen Punkt geschlossen sind und die Anfänge der Wicklungen mit linearen Drähten verbunden sind, wird eine solche Verbindung genannt Star. Bei Sternschaltung ist die Netzspannung V3 mal die Phasenspannung. Bei ungleichmäßiger Belastung sind die Phasenspannungen des Verbrauchers unterschiedlich groß und die Größe der Phasenspannung ist proportional zum Phasenwiderstand. Die Verschiebung des Nullpunkts des Verbrauchers, die durch eine ungleichmäßige Belastung auftritt, führt zu einem unerwünschten Phänomen in Beleuchtungsnetzen. Je größer die Anzahl und Leistung der in der Phase enthaltenen Lampen ist, desto niedriger ist ihr Widerstand, desto niedriger ist ihre Phasenspannung, desto schwächer brennen sie. Neben der Sternschaltung können Generatoren oder Drehstromverbraucher zugeschaltet werden ein Dreieck. Bei einer gleichmäßigen Dreiecksbelastung ist der Leiterstrom V3-mal der Phasenstrom. Bei Motoren und anderen Drehstromverbrauchern werden in den meisten Fällen alle sechs Enden der drei Wicklungen ausgegeben, die auf Wunsch entweder mit einem Stern oder einem Dreieck verbunden werden können. Üblicherweise wird an einer Drehstrommaschine eine Platte aus Isolierstoff (Klemmbrett) angebracht, an der alle sechs Enden herausgeführt sind. Die Leistung eines Drehstromsystems lässt sich mit folgender Formel berechnen: P = ?3 IUcos ?. 68. TRANSFORMATOREN Im Jahre 1876 g. PI. Jablotschkow schlug vor, einen Transformator zu verwenden, um die Kerzen mit Strom zu versorgen. In Zukunft wurde das Design von Transformatoren von einem anderen russischen Erfinder, einem Mechaniker, entwickelt WENN. Verwendung, der vorschlug, Transformatoren zu verwenden, um nicht nur Yablochkov-Kerzen, sondern auch andere Verbraucher elektrischer Energie mit Strom zu versorgen. Ein Transformator ist ein elektrisches Gerät, das auf dem Phänomen der gegenseitigen Induktion basiert und dazu bestimmt ist, Wechselstrom einer Spannung in Wechselstrom einer anderen Spannung, aber derselben Frequenz umzuwandeln. Der einfachste Transformator hat einen Stahlkern und zwei Wicklungen, die sowohl vom Kern als auch voneinander isoliert sind. Die Wicklung eines Transformators, die an eine Spannungsquelle angeschlossen ist, wird als bezeichnet Primärwicklung, und die Wicklung, an der Verbraucher angeschlossen sind, oder Übertragungsleitungen, die zu Verbrauchern führen, wird genannt Sekundärwicklung. Ein Wechselstrom, der durch die Primärwicklung fließt, erzeugt einen magnetischen Wechselfluss, der sich mit den Windungen der Sekundärwicklung verzahnt und in ihnen eine EMK induziert. Da der magnetische Fluss variabel ist, ist auch die induzierte EMK in der Sekundärwicklung des Transformators variabel und ihre Frequenz ist gleich der Frequenz des Stroms in der Primärwicklung. Der variable magnetische Fluss, der durch den Kern des Transformators fließt, kreuzt nicht nur die Sekundärwicklung, sondern auch die Primärwicklung des Transformators. Daher wird auch in der Primärwicklung eine EMK induziert. Die Größe der in den Wicklungen des Transformators induzierten EMF hängt von der Frequenz des Wechselstroms, der Anzahl der Windungen jeder Wicklung und der Größe des magnetischen Flusses im Kern ab. Bei einer bestimmten Frequenz und einem konstanten magnetischen Fluss hängt die Größe der EMK jeder Wicklung nur von der Anzahl der Windungen dieser Wicklung ab. Diese Beziehung zwischen den EMF-Werten und der Anzahl der Windungen der Transformatorwicklungen kann durch die Formel ausgedrückt werden: ?1 / ?2 = N1 / N2, wobei ?1 und ?2 die EMF der Primär- und Sekundärwicklung sind, N1 und N2 sind die Windungszahlen der Primär- und Sekundärwicklung. Der Unterschied zwischen EMK und Spannung ist so gering, dass der Zusammenhang zwischen Spannungen und der Windungszahl beider Wicklungen durch die Formel ausgedrückt werden kann: U1 / U2 = N1 / N2. Die Differenz zwischen EMK und Spannung in der Primärwicklung des Transformators wird besonders klein, wenn die Sekundärwicklung offen ist und der darin enthaltene Strom Null ist (Leerlauf) und in der Primärwicklung nur ein kleiner Strom fließt, der als Leerlaufstrom bezeichnet wird . In diesem Fall ist die Spannung an den Klemmen der Sekundärwicklung gleich der darin induzierten EMF. Die Zahl, die angibt, wie oft die Spannung in der Primärwicklung größer (oder kleiner) als die Spannung in der Sekundärwicklung ist, wird Übersetzungsverhältnis genannt und mit dem Buchstaben k bezeichnet. k = U1 / U2 ? N1 / N2. Die auf dem Typenschild des Transformators angegebene Nennspannung der Hoch- und Niederspannungswicklung bezieht sich auf den Leerlauf. Transformatoren, die der Spannungserhöhung dienen, nennt man Step-up; ihr Transformationsverhältnis ist kleiner als eins. Abwärtstransformatoren spannen die Spannung herunter; ihr Transformationsverhältnis ist größer als eins. Der Modus, in dem die Sekundärwicklung des Transformators geöffnet ist und eine Wechselspannung an die Klemmen der Primärwicklung angelegt wird, wird als Leerlauf oder Leerlaufbetrieb des Transformators bezeichnet. 69. GERÄTE UND TRANSFORMATORTYPEN Der Kern (Magnetkreis) des Transformators bildet einen für den magnetischen Fluss geschlossenen Kreis und besteht aus Elektroblech (Transformator) mit einer Dicke von 0,5 und 0,35 mm. Elektrostahl ist Stahl, der 4-4,8 Gew.-% Silizium enthält. Das Vorhandensein von Silizium verbessert die magnetischen Eigenschaften von Stahl und erhöht seine Widerstandsfähigkeit gegenüber Wirbelströmen. Getrennte Stahlbleche werden mit einer Lackschicht beschichtet, um sie voneinander zu isolieren, wonach sie mit in Isolierbuchsen geführten Schrauben festgezogen werden. Eine solche Vorrichtung wird verwendet, um Wirbelströme zu reduzieren, die in Stahl durch einen magnetischen Wechselfluss induziert werden. Die Teile des Magnetkreises, auf denen die Wicklung aufgebracht ist, werden Stäbe genannt. Die Stäbe sind durch die oberen und unteren Joche verbunden. Je nach Aufbau des Magnetkreises werden zwei Arten von Transformatoren unterschieden: Stab und gepanzert. Bei einem Stabtransformator umhüllen die Wicklungen die Stäbe des Magnetkerns; Bei gepanzerten Transformatoren hingegen bedeckt der Magnetkreis als "Panzerung" die Wicklungen. Im Falle eines Fehlers in der Wicklung eines gepanzerten Transformators ist es umständlich zu inspizieren und schwierig zu reparieren. Am weitesten verbreitet sind daher Stabtransformatoren. Die Wicklung des Transformators besteht aus isoliertem Rund- oder Rechteckkupfer. Auf den Kern des Magnetkreises wird zunächst ein Isolierzylinder (normalerweise mit Bakelitlack imprägnierter Karton) gelegt, auf dem eine Niederspannungswicklung angeordnet ist. Die Anordnung der Niederspannungswicklung näher an der Stange erklärt sich aus der Tatsache, dass sie leichter von der Stahlstange zu isolieren ist als die Hochspannungswicklung. Auf die darüberliegende Unterspannungswicklung wird ein weiterer Isolierzylinder aufgesetzt, auf den die Oberspannungswicklung aufgelegt wird. Solche Transformatoren werden als Zweiwicklungstransformatoren bezeichnet. Es gibt Transformatoren, die pro Phase eine Primär- und zwei Sekundärwicklungen haben. Die Primärwicklung ist die Wicklung mit der höchsten Spannung. Abhängig von der Spannung an ihren Anschlüssen werden die Sekundärwicklungen als Mittelspannungswicklung und Niederspannungswicklung bezeichnet. Solche Transformatoren werden genannt Dreiwicklung. Für die Transformation von Drehstrom können Sie Einphasentransformatoren verwenden. Wenn wir den Stahl von drei Kernen zu einem gemeinsamen Kern kombinieren, erhalten wir den Kern eines dreiphasigen Transformators. Die Kosten für Transformatorstahl für einen Dreiphasentransformator sind viel geringer als für die Installation von drei Einphasentransformatoren. Ist die für die Transformation benötigte Leistung größer als die Leistung eines Transformators, so werden in diesem Fall mehrere Transformatoren für den Parallelbetrieb zugeschaltet. Um den Parallelbetrieb von Einphasentransformatoren zu ermöglichen, müssen die folgenden Bedingungen erfüllt sein. 1. Die Spannungen der Primär- und Sekundärwicklungen parallel geschalteter Transformatoren müssen gleich sein. In diesem Fall sind auch die Übersetzungsverhältnisse der Transformatoren gleich. 2. Gleichheit der Kurzschlussspannungen. 3. Einschalten durch die gleichen Phasen von der Seite der höheren und niedrigeren Spannungen. Ein Autotransformator ist ein Transformator, der nur eine Wicklung auf seinem Kern hat. Sowohl der Primär- als auch der Sekundärkreis sind mit verschiedenen Punkten dieser Wicklung verbunden. Der magnetische Fluss eines Spartransformators induziert eine elektrische Kraft in der Wicklung. Diese elektromotorische Kraft ist fast gleich der angelegten Spannung. 70. ASYNCHRONMOTOREN Asynchronmaschine wird eine Wechselstrommaschine bezeichnet, bei der die Rotordrehzahl kleiner ist als die Drehzahl des Statormagnetfeldes und lastabhängig ist. Eine Asynchronmaschine hat wie andere elektrische Maschinen die Eigenschaft der Reversibilität, d.h. sie kann sowohl motorisch als auch generatorisch arbeiten. Der Drehstrom-Induktionsmotor wurde vom russischen Ingenieur M.O. Dolivo-Dobrovolsky im Jahr 1890 und seitdem Verbesserungen unterzogen, hat sich fest in der Industrie etabliert und ist in allen Ländern der Welt weit verbreitet. Ein Induktionsmotor hat zwei Hauptteile - Stator und Rotor. Der Stator ist der feststehende Teil der Maschine. Auf der Innenseite des Stators sind Rillen angebracht, in denen eine dreiphasige Wicklung angeordnet ist, die von einem dreiphasigen Wechselstrom gespeist wird. Der rotierende Teil der Maschine wird als Rotor bezeichnet, in dessen Nuten auch die Wicklung verlegt ist. Stator und Rotor werden aus separat gestanzten Elektrobandblechen mit einer Dicke von 0,35 und 0,5 mm zusammengesetzt. Einzelne Stahlbleche werden mit einer Lackschicht voneinander isoliert. Der Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor wird so klein wie möglich gemacht. Je nach Ausführung des Läufers gibt es Asynchronmotoren mit Kurzschluss- und Phasenläufer. Asynchronmotoren werden in bürstenlose und Kollektormotoren unterteilt. Am weitesten verbreitet sind bürstenlose Motoren. Sie werden dort eingesetzt, wo eine annähernd konstante Drehzahl erforderlich ist und deren Anpassung nicht erforderlich ist. Bürstenlose Motoren sind einfach im Aufbau, störungsfrei im Betrieb und haben einen hohen Wirkungsgrad. Schließt man die Bearbeitung des Stators an ein Drehstromnetz an, so entsteht im Inneren des Stators ein rotierendes Magnetfeld. Die magnetischen Linien des Feldes kreuzen die Wicklung des festen Stroms des Rotors und induzieren darin eine EMF. Der Rotor kann während seiner Drehung das rotierende Magnetfeld des Stators nicht einholen. Wenn wir davon ausgehen, dass der Rotor die gleiche Drehzahl hat wie das Magnetfeld des Stators, dann verschwinden die Ströme in der Rotorwicklung. Mit dem Verschwinden der Ströme in der Rotorwicklung hört ihre Wechselwirkung mit dem Statorfeld auf und der Rotor beginnt sich langsamer zu drehen als das rotierende Statorfeld. Allerdings wird in diesem Fall die Rotorwicklung wieder vom Drehfeld des Stators durchdrungen und das Drehmoment wirkt erneut auf den Rotor. Folglich muss der Rotor während seiner Rotation der Rotationsgeschwindigkeit des Stator-Magnetfelds immer hinterherhinken, d. h. asynchron (nicht im Takt des Magnetfelds) rotieren, weshalb diese Motoren benannt wurden asynchron. Der Käfigläufer-Induktionsmotor ist der in der Industrie am häufigsten eingesetzte Elektromotor. Der Aufbau eines Asynchronmotors ist wie folgt. Auf dem feststehenden Teil des Motors – dem Stator – befindet sich eine mit Drehstrom gespeiste Drehstromwicklung. Die Anfänge der drei Phasen dieser Wicklung werden auf eine gemeinsame, außen am Motorgehäuse angebrachte Abschirmung ausgegeben. Da in den Statorwicklungen Wechselstrom fließt, fließt ein magnetischer Wechselfluss durch den Statorstahl. Um die im Stator entstehenden Wirbelströme zu reduzieren, besteht er aus separaten gestanzten Blechen aus legiertem Stahl mit einer Dicke von 0,35 und 0,5 mm. Nachteile: Schwierigkeiten bei der Einstellung der Drehzahl und hoher Anlaufstrom. Daher werden neben ihnen auch Asynchronmotoren mit gewickeltem Rotor eingesetzt. Die Vorrichtung des Stators eines solchen Motors und seiner Wicklung unterscheiden sich nicht von der Vorrichtung des Stators eines Motors mit Käfigläufer. Der Unterschied zwischen diesen beiden Motoren liegt in der Konstruktion des Rotors. Ein Elektromotor mit Phasenrotor hat einen Rotor, auf dem wie auf dem Stator drei Phasenwicklungen angeordnet sind, die durch einen Stern miteinander verbunden sind. 71. SYNCHRONGENERATOREN Synchronmaschine wird eine Maschine genannt, deren Drehzahl konstant ist und bei einer gegebenen Wechselstromfrequenz durch die Anzahl der Polpaare p bestimmt wird: v \u60d XNUMX ·n / p. Nach dem von E. entdeckten Prinzip der Reversibilität .Kh. Lenz kann eine Synchronmaschine sowohl als Generator als auch als Motor arbeiten. Der Betrieb von Synchrongeneratoren basiert auf dem Phänomen der elektromagnetischen Induktion. Da es grundsätzlich gleichgültig ist, ob ein bewegter Leiter ein festes Magnetfeld kreuzt oder umgekehrt ein bewegtes Feld einen festen Leiter kreuzt, können strukturell synchrone Generatoren in zwei Arten hergestellt werden. Bei der ersten können die Magnetpole auf dem Stator platziert werden und ihre Wicklung mit Gleichstrom speisen, und die Leiter können mit Ringen und Bürsten mit Wechselstrom auf den Rotor platziert und von ihm entfernt werden. Oft wird der Teil der Maschine, der ein Magnetfeld erzeugt, als Induktor bezeichnet, und der Teil der Maschine, in dem sich die Wicklung befindet, in der die EMF induziert wird, wird als Anker bezeichnet. Daher ist beim ersten Generatortyp der Induktor stationär und der Anker dreht sich. Der Stator eines Synchrongenerators besteht wie bei anderen Wechselstrommaschinen aus einem Kern aus Elektroblechen, in dessen Nuten die Wechselstromwicklung platziert ist, und einem Rahmen – einem Gusseisen- oder geschweißten Gehäuse aus Stahlblech . Die Statorwicklung wird in Nuten gelegt, die auf der Innenfläche des Kerns eingestanzt sind. Die Isolierung der Wicklung erfolgt besonders sorgfältig, da die Maschine meist mit hohen Spannungen betrieben werden muss. Als Isolierung werden Mikanit und Mikanitband verwendet. Die Rotoren von Synchronmaschinen werden konstruktionsbedingt in zwei Typen unterteilt: 1) explizite Pole (d. h. mit ausgeprägten Polen); 2) implizit polar (d. h. mit implizit ausgedrückten Polen). Der Schenkelpolrotor ist ein Stahlschmiedestück. Am Rotorkranz sind Pole angebracht, auf denen Erregerspulen aufgesetzt sind, die miteinander in Reihe geschaltet sind. Die Enden der Erregerwicklung sind mit zwei Ringen verbunden, die auf der Rotorwelle montiert sind. Den Ringen sind Bürsten überlagert, an die eine Konstantspannungsquelle angeschlossen ist. Normalerweise gibt ein Gleichstromgenerator, der auf derselben Welle wie der Rotor sitzt und als Erreger bezeichnet wird, einen Gleichstrom ab, um den Rotor zu erregen. Die Erregerleistung beträgt 0,25-1 % der Nennleistung des Synchrongenerators. Nennspannung der Erreger 60-350 V. Selbsterregte Synchrongeneratoren sind ebenfalls erhältlich. Ein Gleichstrom zur Erregung des Rotors wird unter Verwendung von Selengleichrichtern erhalten, die mit der Statorwicklung des Generators verbunden sind. Im ersten Moment induziert das Restmagnetfeld des rotierenden Rotors eine kleine variable EMK in der Statorwicklung. An Wechselspannung angeschlossene Selengleichrichter liefern einen Gleichstrom, der das Feld des Rotors verstärkt und die Spannung des Generators erhöht. Bei der Konstruktion elektrischer Maschinen und Transformatoren achten Konstrukteure besonders auf die Belüftung der Maschinen. Für Synchrongeneratoren wird Luft- und Wasserstoffkühlung verwendet. 72. DC-GENERATORGERÄT Der Gleichstromgenerator ist eine elektrische Maschine, die die mechanische Energie des ihn drehenden Primärmotors in elektrische Gleichstromenergie umwandelt, die die Maschine an die Verbraucher abgibt. Der Gleichstromgenerator arbeitet nach dem Prinzip Elektromagnetische Induktion. Die Hauptteile des Generators sind daher ein Anker mit einer darauf befindlichen Wicklung und Elektromagneten, die ein Magnetfeld erzeugen. Der Anker hat die Form eines Zylinders und wird aus separat gestanzten Blechen aus Elektroband mit einer Dicke von 0,5 mm rekrutiert. Die Blätter sind durch eine Lackschicht oder dünnes Papier voneinander getrennt. Die umlaufend in jedes Blech eingestanzten Vertiefungen bilden beim Zusammenbau des Ankers und beim Zusammenpressen der Bleche Nuten, in denen die isolierten Leiter der Ankerwicklung verlegt werden. Auf der Ankerwelle ist ein Kollektor befestigt, der aus separaten Kupferplatten besteht, die an bestimmten Stellen der Ankerwicklung angelötet sind. Die Kollektorplatten sind durch Mikanit voneinander isoliert. Der Kollektor dient dazu, den Strom gleichzurichten und mit Hilfe fester Bürsten an das externe Netz abzuleiten. Elektromagnete für Gleichstromgeneratoren bestehen aus Stahlpolkernen, die mit dem Rahmen verschraubt sind. Der Generatorrahmen ist aus Stahl gegossen. Bei Maschinen sehr kleiner Leistung wird der Rahmen zusammen mit den Polkernen gegossen. In anderen Fällen werden die Kerne der Pole aus separaten Elektrobandblechen rekrutiert. Auf die Kerne werden Spulen aus isoliertem Kupferdraht gelegt. Der durch die Erregerwicklung geleitete Gleichstrom erzeugt einen magnetischen Fluss der Pole. Zur besseren Verteilung des magnetischen Flusses im Luftspalt sind am Joch montierte Pole mit Spitzen angebrachtiaus einzelnen Stahlblechen. Wenn sich der Anker in einem Magnetfeld von Pluspunkten dreht, wird im Leiter seiner Wicklung eine EMF induziert, die in Größe und Richtung variabel ist. Wenn die Enden einer Windung an zwei Kupferringe gelötet werden, werden Bürsten, die mit einem externen Netzwerk verbunden sind, an die Ringe angelegt. Wenn sich die Windung in einem Magnetfeld dreht, fließt ein elektrischer Wechselstrom in einem geschlossenen Stromkreis. Dies ist die Grundlage für den Betrieb von Lichtmaschinen. Wenn die Enden der Spule an zwei voneinander isolierten Kupferhalbringen, Kollektorplatten genannt, befestigt und mit Bürsten versehen werden, dann wird, wenn sich die Spule in einem Magnetfeld dreht, immer noch eine Wechsel-EMK in der Spule induziert Spule. Im äußeren Stromkreis fließt jedoch ein konstanter Richtungsstrom unterschiedlicher Größe (pulsierender Strom). Die neutrale Linie oder geometrisch neutral ist die Linie, die durch die Mitte des Ankers und senkrecht zur Achse der Pole verläuft. Die aktive Seite der Spule gleitet in dieser Position entlang der magnetischen Linien, ohne sie zu kreuzen. Daher wird in der Spule keine EMF induziert und der Strom im Stromkreis ist Null. Die Breite der Bürste ist größer als die Breite der durch die Platte und den Isolierspalt gebildeten Kollektorteilung, und die Spule, die sich auf dem Neutralleiter befindet, ist in diesem Moment der Bürste kurzgeschlossen. Bei Generatoren, die mit schnell wechselnder Last arbeiten (Kräne, Walzwerke), wird manchmal eine Kompensationswicklung verwendet, die in speziell hergestellten Nuten in den Polschuhen verlegt wird. Die Stromrichtung in der Kompensationswicklung muss der Stromrichtung in den Leitern der Ankerwicklung entgegengesetzt sein. Auf dem vom Polschuh abgedeckten Lichtbogen gleicht das Magnetfeld der Kompensationswicklung das Ankerreaktionsfeld aus und verhindert so, dass das Maschinenfeld verzerrt wird. Die Kompensationswicklung sowie die Wicklung der Zusatzpole ist in Reihe zur Ankerwicklung geschaltet. 73. ARTEN VON GLEICHSTROMGENERATOREN Abhängig von der Methode zur Erzeugung eines Magnetfelds werden Gleichstromgeneratoren in drei Gruppen eingeteilt: 1) Generatoren mit Permanentmagneten oder magnetoelektrisch; 2) Generatoren mit unabhängiger Erregung; 3) Generatoren mit Selbsterregung. Magnetoelektrische Generatoren bestehen aus einem oder mehreren Permanentmagneten, in deren Feld ein Anker mit Wicklung rotiert. Aufgrund der sehr geringen erzeugten Leistung werden Generatoren dieses Typs nicht für industrielle Zwecke verwendet. Bei einem Generator mit unabhängiger Erregung werden die Polwicklungen von einer externen Quelle konstanter Spannung versorgt, die unabhängig vom Generator ist (Gleichstromgenerator, Gleichrichter usw.). Die Erregerwicklung der Generatorpole mit Selbsterregung wird von den Ankerbürsten der Maschine selbst versorgt. Das Prinzip der Selbsterregung ist wie folgt. In Abwesenheit von Strom in der Erregerwicklung dreht sich der Generatoranker in einem schwachen Magnetfeld aus Restmagnetismus der Pole. Die in diesem Moment in der Ankerwicklung induzierte unabhängige EMF sendet einen kleinen Strom in die Polwicklung. Das Magnetfeld der Pole nimmt zu, wodurch auch die EMF in den Ankerleitern zunimmt, was wiederum zu einer Erhöhung des Erregerstroms führt. Dies setzt sich fort, bis sich in der Erregerwicklung ein Strom einstellt, der dem Widerstandswert des Erregerkreises entspricht. Eine Selbsterregung der Maschine kann nur auftreten, wenn der durch die Wicklung der Pole fließende Strom ein Magnetfeld erzeugt, das das Feld des Restmagnetismus verstärkt, und wenn außerdem der Widerstand des Erregerkreises einen bestimmten Wert nicht überschreitet Wert. Selbsterregte Generatoren werden je nach Art der Verbindung der Feldwicklung mit der Ankerwicklung in drei Typen unterteilt. 1. Ein Generator mit Parallelerregung (Shunt), bei dem die Erregerwicklung der Pole parallel zur Ankerwicklung geschaltet ist. 2. Generator mit serieller Erregung (Serie), bei dem die Erregerwicklung der Pole in Reihe mit der Ankerwicklung geschaltet ist. 3. Ein Generator mit gemischter Erregung (Compound), der an den Polen zwei Wicklungen aufweist: eine parallel zur Ankerwicklung und die andere in Reihe zur Ankerwicklung geschaltet. Die Spannung eines Generators mit unabhängiger Erregung ändert sich aus zwei Gründen mit der Last: 1) aufgrund eines Spannungsabfalls in der Ankerwicklung und dem Übergangskontakt der Bürsten; 2) die Wirkung der Ankerreaktion, die zu einer Abnahme des Magnetflusses und der EMF der Maschine führt. Bei einem Generator mit paralleler Erregung ändert sich die Spannung mit der Last aus drei Gründen: 1) aufgrund eines Spannungsabfalls in der Ankerwicklung und dem Übergangskontakt der Bürsten; 2) aufgrund einer Abnahme des Magnetflusses, die durch die Wirkung der Ankerreaktion verursacht wird; 3) Unter dem Einfluss der ersten beiden Gründe nimmt die Spannung des Generators (oder die Spannung der Ankerbürsten) mit der Last ab. Ein Generator mit Reihenerregung unterscheidet sich von einem Generator mit Parallelerregung dadurch, dass beim ersten die Spannung mit zunehmender Belastung ansteigt und beim zweiten abnimmt. Ein Mischerregergenerator kombiniert die Eigenschaften von Parallel- und Reihenerregergeneratoren. 74. ELEKTROMOTOREN Wird eine Gleichstrommaschine an eine Spannungsquelle angeschlossen, arbeitet sie mit einem Elektromotor, wandelt also elektrische Energie in mechanische Energie um. Diese Eigenschaft elektrischer Maschinen, sowohl als Generator als auch als Motor zu arbeiten, wird als Motor bezeichnet Umkehrbarkeit. Der Elektromotor wurde 1834 von einem russischen Akademiker erfunden BS Jakobi. Das Gerät von Elektromotoren ist das gleiche wie Generatoren. Das Funktionsprinzip von Gleichstrom-Elektromotoren basiert auf der Wechselwirkung des in der Ankerwicklung fließenden Stroms und des von den Polen der Elektromagneten erzeugten Magnetfelds. Die vom Motor aus dem Netz aufgenommene Leistung ist um die Reibungsverluste in Lagern, Bürsten am Kollektor, Ankern in Luft, Verlusten in Stahl aufgrund von Hysterese und Wirbelströmen, Leistungsverlusten für die Erwärmung größer als die Leistung an der Welle Motorwicklungen und Rheostate. Der Wirkungsgrad eines Elektromotors ändert sich mit der Last. Bei Nennleistung liegt der Wirkungsgrad der Motoren je nach Leistung, Drehzahl und Ausführung der Motoren zwischen 70 und 93 %. Je nach Anschluss der Ankerwicklung und der Erregerwicklung werden Gleichstrom-Elektromotoren in Motoren mit Parallel-, Reihen- und Mischerregung unterteilt. Die Leiter der Ankerwicklung, durch die der Strom fließt, erfahren in dem von den Polen erzeugten Magnetfeld eine Kraft, unter deren Wirkung sie aus dem Magnetfeld herausgedrückt werden. Damit sich der Motoranker in eine bestimmte Richtung dreht, ist es erforderlich, dass sich die Stromrichtung im Leiter in die entgegengesetzte Richtung ändert, sobald der Leiter den Abdeckungsbereich eines Pols verlässt und den Neutralleiter kreuzt Leitung und gelangt in den Versorgungsbereich eines benachbarten, gegenüberliegenden Pols. Um den Strom in den Leitern der Motorankerwicklung in dem Moment zu leiten, in dem die Leiter den Neutralleiter passieren, wird ein Kollektor verwendet. Bei einem Elektromotor mit Parallelerregung ist die Feldwicklung parallel zum Netz geschaltet, und bei konstantem Widerstand des Erregerkreises und der Netzspannung muss der magnetische Fluss des Motors konstant sein. Wenn die Motorlast zunimmt, schwächt die Ankerreaktion den Magnetfluss, was zu einer gewissen Erhöhung der Drehzahl führt. In der Praxis wird der Spannungsabfall in der Ankerwicklung so gewählt, dass sein Einfluss auf die Motordrehzahl durch die Ankerrückwirkung nahezu kompensiert wird. Eine charakteristische Eigenschaft eines Motors mit Parallelerregung ist eine nahezu konstante Drehzahl bei wechselnder Belastung seiner Welle. Bei Motoren mit Reihenerregung sind Anker- und Erregerwicklung in Reihe geschaltet. Daher ist der durch beide Motorwicklungen fließende Strom gleich. Bei geringen Sättigungen des Stahls des Motormagnetkreises ist der magnetische Fluss proportional zum Ankerstrom. Bei einem Elektromotor mit Mischerregung können Sie durch das Vorhandensein von zwei Wicklungen an den Motorpolen die Vorteile von Parallel- und Mischerregungsmotoren nutzen. Diese Vorteile sind konstante Drehzahl und hohes Anlaufmoment. Die Drehzahlregelung des Motors mit gemischter Erregung erfolgt durch einen Regelwiderstand, der im Stromkreis der parallelen Erregerwicklung enthalten ist. 75. GLEICHRICHTER Motorgeneratoren selten verwendet und verwenden in der Regel spezielle Geräte, die Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln und genannt werden Gleichrichter. In der Technik werden zwei Arten von Gleichrichtern am häufigsten verwendet: 1) Festkörpergleichrichter; 2) Quecksilbergleichrichter. Als Festkörpergleichrichter werden solche bezeichnet, bei denen einzelne Teile aus Festkörpern bestehen. Von Festkörpergleichrichtern haben sich Kupferoxid (Cuprox), Selen, Silizium und Germanium in der Technik durchgesetzt. Quecksilbergleichrichter sind: 1) Glas; 2) Metall. Neben Feststoff- und Quecksilbergleichrichtern gibt es auch Gleichrichter: mechanische, Kenotrons, Gastrons, elektrolytische. Kenotrons (Röhrengleichrichter) sind in der Funktechnik weit verbreitet, sie sind in den meisten modernen Funkempfängern zu finden, die von Wechselstromnetzen usw. gespeist werden. Kupferoxid-Gleichrichter (Cuprox) bestehen aus drei Schichten: 1) ein Metall, das freie Elektronen in hoher Konzentration aufweist; 2) isolierend (sperrend), keine freien Elektronen habend; 3) ein Halbleiter mit einer kleinen Anzahl freier Elektronen. Bei einer Potentialdifferenz auf kleinen Schichten entsteht in der Sperrschicht ein starkes elektrisches Feld, das zum Ausstoß freier Elektronen aus den angrenzenden Schichten beiträgt. Bei Selengleichrichtern ist eine Elektrode eine vernickelte Eisenscheibe, die mit einer dünnen Selenschicht überzogen ist. Die zweite Elektrode ist eine auf Selen abgeschiedene Schicht aus einer speziellen, hochleitfähigen Legierung aus Wismut, Zinn und Cadmium. Gegen diese Schicht wird eine Kontaktmessingscheibe gepresst. Um das Element in den Stromkreis aufzunehmen, werden Platten verwendet, die beide Elektroden berühren. An der Grenze zwischen der Deckschicht und der Selenschicht tritt eine Barriereschicht auf. Die Wirkungsweise eines Quecksilbergleichrichters beruht auf der sogenannten ventilartigen (einseitigen) Fähigkeit eines Lichtbogens, der in einem evakuierten und mit Quecksilber gefüllten Gefäß entstanden ist, Strom nur in einer Richtung durchzulassen. Ein Ventil ist ein Gerät, das einen niedrigen Widerstand für Vorwärtsstrom und einen hohen Widerstand für Rückstrom hat. Für Ströme über 500 A werden metallische Quecksilbergleichrichter verwendet. Das Metallgehäuse des Gleichrichters ist wassergekühlt. Der vom Körper isolierte Kathodenbecher ist mit Quecksilber gefüllt. Die Hauptanoden werden durch Anodenhülsen geführt, die die Anoden vor aus ihren Dämpfen kondensiertem Quecksilber schützen. Die Zündanode und unabhängige Erregeranoden befinden sich im Gleichrichter. Das obere Ende der Zündanode ist an einem Stahlkern befestigt, der in der Magnetspule platziert ist. Schließt man den Stromkreis, der den Elektromagneten speist, so wird der Kern eingezogen und senkt die Zündanode ab, die kurzzeitig in Quecksilber getaucht wird und dann unter der Wirkung der Feder in ihre vorherige Position zurückkehrt. Der zwischen Zündanode und Quecksilber entstandene Lichtbogen wird auf die Anregungsanoden übertragen, die den Lichtbogen stützen und ein Erlöschen verhindern. Die Einstellung der gleichgerichteten Spannung an den Gleichrichtern erfolgt über einen Trenntransformator oder Spartransformator, der von seinen Wicklungen mehrere Abzweigungen aufweist. Durch Ändern des Werts der den Gleichrichter versorgenden Wechselspannung wird der Wert der gleichgerichteten Spannung geändert. 76. ELEKTRISCHE INSTRUMENTE Zur Messung elektrischer Größen werden spezielle elektrische Messgeräte verwendet. Elektrische Messgeräte haben für den rationellen Betrieb, die Kontrolle und den Schutz elektrischer Anlagen in verschiedenen Bereichen der Volkswirtschaft breite Anwendung gefunden. Bei elektrischen Messgeräten gibt es bewegliche und feststehende Geräteteile. Die Manifestation des elektrischen Stroms, beispielsweise seine thermischen, magnetischen und mechanischen Wirkungen, sind die Grundlage für das Zusammenspiel der beweglichen und stationären Teile des Geräts. Das resultierende Drehmoment dreht den beweglichen Teil des Geräts zusammen mit dem Zeiger (Pfeil). Unter Einwirkung eines Drehmoments dreht sich das bewegliche System um einen Winkel, der umso größer ist, je größer der Messwert ist. Im Gegensatz zum Drehmoment muss ein gleiches und entgegengesetztes Gegenmoment erzeugt werden, da sonst bei jedem Wert des Messwertes (außer Null) der Pfeil bis zum Anschlag zum Skalenende ausweicht. Üblicherweise wird das Gegenmoment mit Schraubenfedern aus Phosphorbronze erzeugt. Reibung richtet sich bekanntlich immer gegen die Bewegung. Wenn sich der bewegliche Teil des Geräts bewegt, wird dies daher durch Reibung beeinträchtigt und die Messwerte des Geräts verfälscht. Um die Reibung zu verringern, ist das bewegliche Teil bei einigen Konstruktionen auf Kernen in Drucklagern aus hochhartem Stein (Rubin, Saphir, Achat) gelagert. Um Kerne und Axiallager vor Zerstörung während des Transfers oder Transports zu schützen, haben einige Geräte eine Vorrichtung, die so genannte eingesperrt, der den beweglichen Teil anhebt und bewegungslos fixiert. Unter dem Einfluss bestimmter Gründe ändert sich das entgegenwirkende Moment des Geräts. Beispielsweise haben Schraubenfedern bei unterschiedlichen Temperaturen eine ungleiche Elastizität. In diesem Fall bewegt sich der Pfeil des Geräts von der Nullteilung weg. Um den Pfeil in die Nullposition zu bringen, wird ein als Korrektor bezeichnetes Gerät verwendet. Das Messwerk des Gerätes ist in einem Gehäuse eingeschlossen, das es vor mechanischen Einflüssen und dem Eindringen von Staub, Wasser, Gasen schützt. Eine der Bedingungen für das Gerät ist die schnelle Beruhigung seines beweglichen Teils, die durch den Einbau von Dämpfern erreicht wird, die den mechanischen Widerstand des Mediums (Luft, Öl) oder die magnetische Induktionsbremsung nutzen. Elektrische Messgeräte zeichnen sich durch folgende Merkmale aus: 1) durch die Art des Messwerts; 2) nach Stromart; 3) nach Genauigkeitsgrad; 4) nach dem Wirkprinzip; 5) nach dem Verfahren zum Erhalten eines Messwerts; 6) durch die Art der Anwendung. Neben diesen Merkmalen können auch elektrische Messgeräte unterschieden werden: 1) nach Montageart; 2) eine Methode zum Schutz vor externen magnetischen oder elektrischen Feldern; 3) Ausdauer in Bezug auf Überlastungen; 4) Eignung zur Verwendung bei verschiedenen Temperaturen; 5) Gesamtabmessungen und andere Eigenschaften. Je nach Stromart werden die Geräte in Gleichstromgeräte, Wechselstromgeräte und Gleich- und Wechselstromgeräte eingeteilt. Je nach Funktionsprinzip werden Geräte in magnetoelektrisch, elektromagnetisch, elektrodynamisch (ferrodynamisch), Induktion, thermisch, Vibration, thermoelektrisch, Detektor usw. unterteilt. 77. GERÄT VON MESSGERÄTEN Geräte des magnetoelektrischen Systems arbeiten nach dem Prinzip der Wechselwirkung einer Spule mit Strom und dem Feld eines Permanentmagneten. Ein starker Hufeisen-Permanentmagnet aus Kobalt-, Wolfram- oder Nickel-Aluminium-Stahl erzeugt ein Magnetfeld. An den Enden des Magneten befinden sich Polstücke aus Weichstahl mit zylindrischen Rillen. Zwischen den Polschuhen ist ein Stahlzylinder befestigt, der dazu dient, den Widerstand des Magnetkreises zu verringern. Die magnetischen Linien verlassen die Polstücke und treten aufgrund der Tatsache, dass die magnetische Permeabilität von Stahl viel größer ist als die von Luft, radikal in den Zylinder ein und bilden ein nahezu gleichmäßiges Magnetfeld im Luftspalt. Das gleiche Feld entsteht, wenn die magnetischen Linien den Zylinder verlassen. Der Zylinder ist von einem leichten Aluminiumrahmen umgeben, auf den eine Wicklung (Spule) aus isoliertem Kupferdraht gewickelt ist. Der Rahmen sitzt auf einer in Axiallagern liegenden Achse. An der Achse ist auch ein Aluminiumpfeil befestigt. Das Gegenmoment wird durch zwei flache Spiralfedern erzeugt, die gleichzeitig der Stromzufuhr zur Wicklung des Gerätes dienen. Elektromagnetische Geräte arbeiten nach dem Prinzip der Wechselwirkung zwischen dem Spulenstrom und dem Magnetfeld eines sich bewegenden Kerns aus ferromagnetischem Material. Elektromagnetische Geräte werden konstruktionsbedingt in zwei Typen unterteilt: Geräte mit Flachspule und Geräte mit Rundspule. Das Funktionsprinzip elektrodynamischer Geräte basiert auf der Wechselwirkung der Magnetfelder zweier Spulen: eine feststehende und die andere auf einer Achse sitzende und sich drehende. Das Funktionsprinzip thermischer Geräte basiert auf der Dehnung eines Metallfadens bei Erwärmung durch Strom, die dann in eine Drehbewegung des beweglichen Teils des Geräts umgewandelt wird. Induktive Messgeräte zeichnen sich dadurch aus, dass mehrere feste Spulen verwendet werden, die mit Wechselstrom gespeist werden und ein rotierendes oder laufendes Magnetfeld erzeugen, das im beweglichen Teil des Geräts Ströme induziert und dieses in Bewegung versetzt. Induktionsgeräte werden nur mit Wechselstrom als Wattmeter und Stromzähler verwendet. Das Funktionsprinzip von Geräten eines thermoelektrischen Systems basiert auf der Verwendung einer elektromotorischen Kraft, die in einem Stromkreis entsteht, der aus ungleichen Leitern besteht, wenn die Verbindungsstelle dieser Leiter eine andere Temperatur als der Rest des Stromkreises hat. Die Geräte des Detektorsystems sind eine Kombination aus einem magnetoelektrischen Messgerät und einem oder mehreren Halbleitergleichrichtern (Detektoren), die in einem Stromkreis zusammengeschaltet sind. Als Gleichrichter werden üblicherweise Kupferoxid-Gleichrichter verwendet. Vibrationssystem-Instrumente sind durch die Verwendung einer Anzahl abgestimmter Platten gekennzeichnet, die unterschiedliche Perioden natürlicher Schwingungen aufweisen und die Messung der Frequenz aufgrund der Resonanz der Frequenz der schwingenden Platte mit der gemessenen Frequenz ermöglichen. Schwinggeräte werden nur als Frequenzmesser gebaut. 78. INSTRUMENTENTRANSFORMATOREN In Wechselstromnetzen werden Spannungs- und Strommesswandler eingesetzt, um Messgeräte aus Sicherheitsgründen von Hochspannungsleitungen zu trennen sowie den Messbereich von Messgeräten zu erweitern. Um eine hohe Messgenauigkeit zu gewährleisten, sollten Spannungs- (Strom-) Wandler ihr Übersetzungsverhältnis nicht ändern und einen konstanten Winkel von 180 zwischen den primären und sekundären Spannungs- (Strom-) Vektoren aufweisen. Die letzte Bedingung ist erforderlich, wenn solche Geräte über Spannungs- (Strom-) Transformatoren eingeschaltet werden, deren Messwerte vom Verschiebungswinkel zwischen Spannung und Strom des Netzes abhängen. In der Praxis haben Spannungs(strom)wandler jedoch den sogenannten Fehler im Übersetzungsverhältnis und den Winkelfehler. Der relative Fehler im Übersetzungsverhältnis ist die Differenz zwischen der Sekundärspannung (Strom) multipliziert mit dem Übersetzungsverhältnis und dem tatsächlichen Wert der Primärspannung (Strom). Winkelfehler des Messwandlers Spannung (Strom) ist der Winkel zwischen dem Vektor der Primärspannung (Strom) und dem Vektor der Sekundärspannung (Strom), gedreht um 180. Übersetzungsverhältnisfehler und Winkelfehler nehmen mit Belastung zu. Daher können Transformatoren nicht über die Nennleistung (im Reisepass angegeben) belastet werden. Die Primär- und Sekundärwicklungen des Messspannungswandlers bestehen aus isoliertem Kupferdraht und sind auf einen geschlossenen Kern aufgezogen, der aus separaten Trafostahlblechen zusammengesetzt ist. Spannungswandler werden einphasig und dreiphasig hergestellt. Zum Schutz des Transformators vor Überlastungen und Kurzschlüssen im Messgerätekreis ist in der Sekundärwicklung eine Niederspannungssicherung eingebaut. Bei einem Durchbruch der Isolation der Oberspannungswicklung können Kern und Sekundärwicklung ein hohes Potential erhalten. Um dies zu vermeiden, sind die Sekundärwicklung und Metallteile des Transformators geerdet. Stromwandler werden verwendet, um einen großen Strom in einen kleinen Strom umzuwandeln. Auf den Kern sind zwei Wicklungen gewickelt, die aus separaten Blechen aus Transformatorstahl zusammengesetzt sind: die Primärwicklung, die aus einer kleinen Anzahl von Windungen besteht und in Reihe mit dem Stromkreis geschaltet ist, durch den der gemessene Strom fließt, und die Sekundärwicklung, die aus einer großen Anzahl von Windungen besteht Wendungen, an denen Messgeräte angeschlossen sind. Bei der Strommessung in Hochspannungsnetzen werden die Messgeräte von Hochspannungsleitungen getrennt und isoliert. Die Sekundärwicklung des Stromwandlers ist üblicherweise für einen Strom von 5 A (manchmal 10 A) ausgeführt, die primären Nennströme können 5 bis 15 A betragen. Das Verhältnis des Primärstroms zum Sekundärstrom, das ungefähr dem umgekehrten Verhältnis der Wicklungswindungen entspricht, wird als Stromtransformationsverhältnis bezeichnet. Das Nennübersetzungsverhältnis wird im Transformatorpass in Form eines Bruchs angegeben, dessen Zähler den Nennprimärstrom und dessen Nenner den Nennsekundärstrom angibt. 79. RHEOSTATS In der elektrischen Praxis sowie beim Betrieb von elektrischen Maschinen kommen verschiedene Rheostate zum Einsatz. Ein Rheostat ist ein Gerät, das einen gewissen Widerstand hat, der geändert werden kann, wodurch der Strom und die Spannung des Stromkreises geändert werden. Rheostate sind mit Schleifkontakt, Hebel, Flüssigkeit, Lampe und Stecker erhältlich. Rheostat mit Schleifkontakt. Ein blanker Draht wird auf ein Porzellanrohr gewickelt. Durch eine spezielle Bearbeitung wird die Oberfläche des Drahtes mit einer dünnen Oxidschicht überzogen, die keinen Strom leitet. Ein Schieber gleitet entlang der Metallstange und drückt gegen den Rheostatdraht. Da ein Teil des Widerstands des Rheostats mit der elektrischen Lampe in Reihe geschaltet ist, wird der durch die Lampenwendel fließende Strom reduziert und die Lampe brennt in diesem Fall weniger. Durch Bewegen des Schiebereglers nach rechts verringern wir den Widerstand des Rheostaten und die Lichtintensität der Lampe erhöht sich. Gleitkontakt-Rheostate werden dort eingesetzt, wo eine sanfte, langsame Änderung des Stroms im Stromkreis erforderlich ist. Hebelwiderstand. Drahtspiralen werden auf einen Rahmen aus Isoliermaterial gespannt. Spiralen sind in Reihe geschaltet. Verzweigungen zu Kontakten werden vom Anfang, Ende und den Verbindungsstellen einzelner Spiralen hergestellt. Indem wir den Hebel auf einen bestimmten Kontakt des Rheostats legen, können wir den Widerstand und damit den Strom im Stromkreis ändern. Diese Änderungen erfolgen jedoch nicht fließend, sondern abrupt. Die gebräuchlichsten Materialien für Drahtrheostate sind Eisen, Nickelin, Konstantan, Manganin und Nichrom. Flüssiger Rheostat. Ein Rheostat ist ein Metallgefäß mit einer Sodalösung. Am Scharnier ist ein Hebel befestigt, an dem sich ein Eisen- oder Kupfermesser befindet. Der Hebel mit einem Messer ist durch eine Dichtung von der Metallbox isoliert. Durch Anheben oder Absenken des Messers in die Sodalösung können wir den Strom im Stromkreis ändern. Indem wir das Messer in die Lösung absenken, vergrößern wir die Kontaktfläche zwischen dem Messer und der Lösung und erhöhen den durch den Rheostat fließenden Strom. Beim weiteren Eintauchen des Messers tritt der Kontakt des Griffs in die Klemme am Metallgehäuse ein und der Rheostat wird kurzgeschlossen, d.h. von der Arbeit abgeschaltet. Flüssige Rheostate werden in Schaltungen mit hohen Strömen verwendet. Lampenwiderstand. Stellt einen Satz mehrerer parallel geschalteter elektrischer Lampen dar. Es ist bekannt, dass, wenn eine Glühlampe einen Widerstand von 150 Ohm hat, zwei der gleichen Lampen einen Gesamtwiderstand von nur 75 Ohm haben, drei Lampen einen Gesamtwiderstand von 50 Ohm usw. Somit ist der Gesamtwiderstand mehrerer parallel geschalteter identischer Lampen gleich dem Widerstand einer Lampe dividiert durch die Anzahl der angeschlossenen Lampen. Stecker Rheostate. Sie werden oft als Widerstandsboxen bezeichnet und stellen eine Reihe spezifischer, fein abgestimmter Widerstände dar. Die Enden der Widerstandsspulen sind an einer geschnittenen Kupferstange befestigt. Wenn ein Kupferstecker in die Aussparungen der Schiene eingeführt wird, verbindet er zwei benachbarte Teile der Schiene. Dadurch wird der Widerstand, der mit seinen Enden mit den benachbarten Teilen des Stabes verbunden ist, vom Stromkreis abgeschaltet oder, wie sie sagen, kurzgeschlossen (kurzgeschlossen). Der entfernte Stecker bewirkt, dass ein elektrischer Strom durch die Widerstandsspule fließt. Widerstandsboxen erleichtern das Einfügen von Widerständen mit einem genau definierten Wert in einen Stromkreis und werden bei elektrischen Messungen verwendet. 80. MESSUNG DER WIRKSTROM Gleichstrom Aus der Formel für Gleichstromleistung P = UI ist ersichtlich, dass die Leistung durch Multiplikation der Messwerte eines Amperemeters und eines Voltmeters ermittelt werden kann. In der Praxis wird die Leistungsmessung jedoch meist mit speziellen Instrumenten durchgeführt – Wattmeter. Das Wattmeter besteht aus zwei Spulen: einer festen, die aus einer kleinen Anzahl dicker Drahtwindungen besteht, und einer beweglichen, die aus einer großen Anzahl dünner Drahtwindungen besteht. Beim Einschalten des Wattmeters fließt der Laststrom durch eine im Stromkreis in Reihe geschaltete Festspule und die Schwingspule parallel zum Verbraucher. Um die Stromaufnahme in der Parallelwicklung zu reduzieren und das Gewicht der Schwingspule zu reduzieren, ist ein zusätzlicher Manganin-Widerstand in Reihe dazu geschaltet. Durch das Zusammenwirken der Magnetfelder von beweglicher und fester Spule entsteht ein Drehmoment, das proportional zu den Strömen beider Spulen ist. Das Drehmoment des Geräts ist proportional zur im Stromkreis verbrauchten Leistung. Damit der Pfeil des Geräts von Null nach rechts abweicht, muss Strom in einer bestimmten Richtung durch die Spule geleitet werden. Neben elektrodynamischen Wattmetern werden auch Wattmeter des ferrodynamischen Systems zur Leistungsmessung in Gleichstromkreisen verwendet. Einphasiger Wechselstrom. Wenn ein elektrodynamisches Wattmeter an einen Wechselstromkreis angeschlossen wird, bewirken die Magnetfelder der beweglichen und festen Spule, die miteinander interagieren, dass sich die bewegliche Spule dreht. Das momentane Rotationsmoment des beweglichen Teils des Geräts ist proportional zum Produkt der Momentanwerte der Ströme in beiden Spulen des Geräts. Aufgrund der schnellen Stromänderungen kann das sich bewegende System diesen Änderungen jedoch nicht folgen, und das Rotationsmoment des Geräts ist proportional zur durchschnittlichen Wirkleistung P = U I cos? . Zur Messung der Wechselstromleistung werden auch Wattmeter des Induktionssystems verwendet. Bei der Leistungsmessung mit einem Wattmeter in Niederspannungsnetzen mit hohen Strömen werden Stromwandler verwendet. Um die Potentialdifferenz zwischen den Wicklungen des Wattmeters zu verringern, haben der Primär- und der Sekundärkreis des Stromwandlers einen gemeinsamen Punkt. Die Sekundärwicklung des Transformators ist nicht geerdet, da dies bedeuten würde, dass ein Draht des Netzwerks geerdet wird. Um in diesem Fall die Leistung des Netzwerks zu bestimmen, müssen Sie den Messwert des Wattmeters mit dem Übersetzungsverhältnis des Transformators multiplizieren. Dreiphasiger Wechselstrom. Bei gleichmäßiger Belastung eines Drehstromnetzes dient ein Einphasen-Wattmeter zur Leistungsmessung. In diesem Fall fließt der Phasenstrom durch die Reihenwicklung des Wattmeters und die Parallelwicklung ist mit der Phasenspannung verbunden. Daher zeigt das Wattmeter die Leistung einer Phase an. Um die Leistung eines dreiphasigen Systems zu erhalten, müssen Sie den Messwert eines einphasigen Wattmeters mit drei multiplizieren. In Hochspannungsnetzen wird ein dreiphasiges Wattmeter über Spannungs- und Strommesswandler eingeschaltet. 81. MESSUNG DER ELEKTRISCHEN WIRKENERGIE Gleichstrom Zur Messung des Energieverbrauchs bei Gleichstrom werden Zähler von drei Systemen verwendet: elektrodynamisch, magnetoelektrisch und elektrolytisch. Die am weitesten verbreiteten Zähler des elektrodynamischen Systems. Feststromspulen, die aus einer kleinen Anzahl dicker Drahtwindungen bestehen, sind in Reihe mit dem Netzwerk verbunden. Eine bewegliche Spule in Kugelform, Anker genannt, ist auf einer Achse montiert, die sich in Drucklagern drehen kann. Die Ankerwicklung besteht aus einer großen Anzahl dünner Drahtwindungen und ist in mehrere Abschnitte unterteilt. Die Enden der Abschnitte sind mit den Kollektorplatten verlötet, die von Metallflachbürsten berührt werden. Über einen zusätzlichen Widerstand wird der Ankerwicklung die Netzspannung zugeführt. Während des Betriebs des Zählers entsteht durch die Wechselwirkung des Stroms in der Ankerwicklung und des Magnetflusses der festen Ströme der Spulen ein Drehmoment, unter dessen Einfluss sich der Anker zu drehen beginnt. Die im Netzwerk verbrauchte Energiemenge kann anhand der Anzahl der Umdrehungen des Ankers (Scheibe) beurteilt werden. Die Energiemenge pro Umdrehung des Ankers wird als Meterkonstante bezeichnet. Die Anzahl der Umdrehungen des Ankers pro aufgenommener elektrischer Energieeinheit wird als Übersetzungsverhältnis bezeichnet. Einphasiger Wechselstrom. Zur Messung der Wirkenergie in Einphasen-Wechselstromkreisen werden Induktionsnetzzähler eingesetzt. Das Gerät des Induktionsmessgeräts ist fast das gleiche wie das des Induktionswattmeters. Der Unterschied besteht darin, dass der Zähler keine Federn hat, die ein entgegenwirkendes Moment erzeugen, wodurch sich die Zählerscheibe frei drehen kann. Pfeil und Skala des Wattmeters werden im Zähler durch ein Zählwerk ersetzt. Der Dauermagnet, der im Wattmeter zur Beruhigung dient, erzeugt im Messgerät ein Bremsmoment. Dreiphasiger Wechselstrom. Die Wirkenergie eines dreiphasigen Wechselstroms kann mit zwei in den Stromkreis einbezogenen einphasigen Zählern nach einer Schaltung ähnlich der von zwei Wattmetern gemessen werden. Komfortabler ist die Energiemessung mit einem Drehstrom-Wirkstromzähler, der den Betrieb von zwei Einphasenzählern in einem Gerät vereint. Der Schaltkreis eines zweigliedrigen Drehstrom-Wirkenergiezählers ist derselbe wie der Schaltkreis des entsprechenden Wattmeters. In einem Vierleiter-Drehstromnetz wird zur Messung der Wirkenergie eine Schaltung ähnlich der von drei Wattmetern oder ein dreigliedriger Drehstromzähler verwendet. In Hochspannungsnetzen werden Zähler über Spannungs- und Strommesswandler eingeschaltet. Die Blindenergie eines einphasigen Stroms kann durch Ablesen eines Amperemeters, Voltmeters, Phasenmessers und einer Stoppuhr bestimmt werden. Zur Berücksichtigung von Blindenergie in Drehstromnetzen können normale Wirkarbeitszähler und spezielle Blindarbeitszähler eingesetzt werden. Betrachten Sie das Gerät eines speziellen Dreiphasen-Blindenergiezählers. Das Messgerät dieses Typs ist dasselbe wie das Gerät eines Dreiphasen-Wattmeters mit zwei Elementen. Parallele Wicklungen von zwei Elementen sind mit dem Netzwerk verbunden. Auf U-förmigen Kernen sind nicht zwei, sondern vier Reihenwicklungen übereinandergelegt. Außerdem ist eine Reihenwicklung auf einen der Zweige des U-förmigen Kerns des ersten Elements gewickelt. Die zweite Stromwicklung ist auf dem zweiten Zweig des Kerns des ersten Systems angeordnet und die dritte Stromwicklung ist auf dem ersten Zweig des zweiten Systems angeordnet. Die vierte Stromwicklung ist auf dem zweiten Zweig des U-förmigen Kerns des zweiten Elements platziert. 82. ELEKTRISCHER ANTRIEB Der Motor und das Getriebe treiben den Aktuator an. Daher werden diese beiden Teile der Maschine genannt Fahrt. Wird zum Antrieb der Arbeitsmaschine ein Elektromotor verwendet, so wird ein solcher Antrieb Elektroantrieb oder kurz Elektroantrieb genannt. Die erste praktische Anwendung des Elektroantriebs sollte der Einsatz auf einem Boot durch einen Akademiker sein BS Jakobi im Jahr 1838. Auf dem Boot wurde ein Elektromotor installiert, der von einer galvanischen Batterie gespeist wird. Elektrische Antriebe, die in der Produktion verwendet werden, können in drei Haupttypen unterteilt werden: Gruppen-, Einzel- und Mehrmotorenantriebe. Der Gruppenelektroantrieb besteht aus einem Elektromotor, der über das Getriebe und den Vorgelegeantrieb mehrere Aktuatoren in Bewegung setzt. Der Gegenantrieb ist eine in Lagern liegende kurze Welle. Auf der Welle befinden sich eine Stufenscheibe, eine Arbeitsscheibe (mit der Welle verbunden) und eine Umlenkscheibe (lose auf der Welle sitzend). Der Gegenantrieb ermöglicht es, die Rotationsgeschwindigkeit der Maschine zu ändern (über eine gestufte Riemenscheibe), die Maschine anzuhalten und zu starten (über eine Arbeits- oder Leerlaufriemenscheibe). Das Stoppen des Antriebsmotors führt zum Stillsetzen aller Aktuatoren, die von ihm mechanische Energie erhalten. Wenn nur ein Teil der Aktuatoren arbeitet, hat der Gruppenantrieb einen geringen Wirkungsgrad. Ein einzelner elektrischer Aktuator besteht aus einem Elektromotor, der einen separaten Aktuator antreibt. Einspindel-Bohrmaschinen, Drehmaschinen mit geringer Leistung usw. sind mit einem einzigen Antrieb ausgestattet, wobei die Bewegungsübertragung vom Motor auf die Maschine zunächst über einen Gegenantrieb erfolgte. Anschließend wurde der Elektromotor selbst Designänderungen unterzogen und begann, mit dem Aktuator integriert zu werden. Ein solches einzelnes Laufwerk heißt Individuell. Ein Mehrmotorenantrieb besteht aus mehreren Elektromotoren, die jeweils einzelne Elemente des Stellantriebs antreiben. Mehrmotorenantriebe werden für komplexe Hochleistungs-Metallbearbeitungsmaschinen, Walzwerke, Papiermaschinen, Kräne und andere Maschinen und Mechanismen verwendet. Je nach Stromart wird der Elektroantrieb in einen Gleichstrom-Elektroantrieb und einen Wechselstrom-Elektroantrieb unterteilt. Je nach Art der Verbindung von Anker- und Erregerwicklung werden Gleichstrommotoren mit Parallel-, Reihen- und Mischerregung unterschieden. Bei der Bestimmung der Leistung der Maschine werden drei Betriebsarten unterschieden. 1. Dauerbetrieb ist gekennzeichnet durch einen Betrieb, bei dem die Betriebsdauer so lang ist, dass die Erwärmung der Maschine ihren eingeschwungenen Zustand erreicht. 2. Der Kurzzeitbetrieb ist dadurch gekennzeichnet, dass während der Betriebszeit die Motortemperatur keine Zeit hat, einen stationären Zustand zu erreichen. 3. Die intermittierende Betriebsweise ist durch den Wechsel von Arbeitsperioden und Pausen gekennzeichnet. Die Dauer einer Arbeitsperiode und einer Pause sollte 10 Minuten nicht überschreiten. Die Art der intermittierenden Arbeit wird durch die relative Länge der Arbeitszeit bestimmt. 83. ISOLIERUNG, DESIGNS UND KÜHLUNG VON ELEKTRISCHEN MASCHINEN Die Motorleistung wird durch seine Erwärmung bestimmt. Die zulässige Erwärmung der Maschine wird durch die Hitzebeständigkeit der Isoliermaterialien sowie durch das Motorkühlsystem begrenzt. Isolierstoffe für elektrische Maschinen werden in fünf Klassen eingeteilt. Isolationsklasse A. Es umfasst Baumwollstoffe, Seide, Garn, Papier und andere organische Materialien, die mit verschiedenen Ölen imprägniert sind, sowie Emails und Lacke. Isolationsklasse B. Dazu gehören Produkte aus Glimmer, Asbest und anderen anorganischen Materialien, die organische Bindemittel enthalten. Isolationsklasse BC. Besteht aus Glimmer, Glasgarn und Asbest auf hitzebeständigen Lacken. Isolationsklasse CB. Bestehend aus anorganischen Materialien auf hitzebeständigen Lacken ohne Verwendung von Isoliermaterialien Klasse A. Isolationsklasse C. Umfasst Glimmer, Porzellan, Glas, Quarz und andere anorganische Materialien ohne Bindemittel. Die höchstzulässige Erwärmungstemperatur für die Isolierung Klasse a-105o, z Klasse b-120o, z Flugzeugklasse -135o, z St. Klasse etwas höher, je nach Hitzebeständigkeit der verwendeten Lacke, z Klasse C Temperatur ist nicht eingestellt. Je nach Art des Schutzes vor dem Einfluss der äußeren Umgebung werden folgende Ausführungsformen elektrischer Maschinen unterschieden. 1. Elektrische Maschine öffnen. Rotierende und stromführende Teile der Maschine sind in dieser Ausführung nicht gegen zufälliges Berühren und Eindringen von Fremdkörpern geschützt. 2. Geschützte elektrische Maschine. Die rotierenden und stromführenden Teile einer solchen Maschine sind vor Berührung und Fremdkörpern geschützt. 3. Tropfwassergeschützte elektrische Maschine. Die Innenteile einer solchen Maschine sind vor dem Eindringen von senkrecht fallenden Wassertropfen geschützt. 4. Spritzwassergeschützte elektrische Maschine. Die Innenteile der Maschine sind vor Spritzwasser geschützt, das von allen Seiten in einem Winkel von 45° zur Senkrechten fällt. 5. Geschlossene elektrische Maschine. Die inneren Teile der Maschine dieser Konstruktion sind von der äußeren Umgebung getrennt, jedoch nicht so dicht, dass sie als hermetisch angesehen werden können. Diese Maschine wird in staubigen Umgebungen eingesetzt und kann im Freien aufgestellt werden. 6. Wasserdichte elektrische Maschine. Der Innenraum der Maschine ist vor dem Eindringen von Wasser geschützt, wenn es aus einem Schlauch über die Maschine gegossen wird. Wird in Schiffsinstallationen verwendet. 7. Explosionsgeschützte elektrische Maschine. Eine geschlossene Maschine, die so konstruiert ist, dass sie der Explosion der in der äußeren Umgebung enthaltenen Gase in ihrem Inneren standhalten kann. 8 ... Hermetische Maschine. Eine vollständig geschlossene Maschine, bei der alle Öffnungen so dicht verschlossen sind, dass bei einem bestimmten Außendruck jede Verbindung zwischen dem Inneren der Maschine und dem die Maschine von außen umgebenden gasförmigen Medium und Flüssigkeit ausgeschlossen ist. Je nach Kühlmethode werden die Maschinen in die folgenden Typen unterteilt. 1. Maschinen mit freier Kühlung ohne dedizierte Ventilatoren. Die Zirkulation der Kühlluft erfolgt aufgrund der Belüftungswirkung der rotierenden Teile der Maschinen und des Phänomens der Konvektion. 2. Maschinen mit künstlicher Absaugung oder Zwangsbelüftung, bei denen die Zirkulation des Gases, das die erhitzten Teile kühlt, durch einen speziellen Lüfter verstärkt wird, einschließlich: selbstbelüftete Maschinen mit einem Lüfter auf der Welle (geschützt oder geschlossen); Maschinen mit unabhängiger Belüftung, deren Ventilator von einem externen Motor angetrieben wird (geschlossene Maschinen). 84. SCHUTZ VON ELEKTROMOTOREN Um Schäden an der Motorisolierung und Schäden an der Integrität der Wicklungen und elektrischen Anschlüsse zu vermeiden, müssen die Motoren über Schutzvorrichtungen verfügen, die ihre rechtzeitige Trennung vom Netz gewährleisten. Die häufigsten Ursachen für anormalen Motorbetrieb sind Überlastungen, Kurzschlüsse, Unterspannung oder Spannungsverlust. Überlast Dies wird als Anstieg des Motorstroms über den Nennwert hinaus bezeichnet. Überlastungen können klein und kurzfristig sein. Überlastungen können übermäßig und langanhaltend sein – sie sind gefährlich für die Motorwicklungen, da die durch den Strom erzeugte große Wärmemenge die Isolierung verkohlen und die Wicklungen verbrennen kann. Auch Kurzschlüsse, die in seinen Wicklungen auftreten können, sind gefährlich für den Motor. Schutz von Motoren vor Überlastung und Kurzschluss genannt Überstromschutz. Maximaler Schutz wird durch Sicherungen, Stromrelais, Thermorelais geboten. Die Auswahl bestimmter Schutzeinrichtungen hängt von Leistung, Typ und Verwendungszweck des Motors, Anlaufbedingungen und Art der Überlastung ab. Sicherungen sind Geräte mit niedrigschmelzendem Draht aus Kupfer, Zink oder Blei, die auf einem isolierenden Sockel montiert sind. Die Sicherungen haben die Aufgabe, bei unzulässig großer Überlast oder Kurzschluss den Verbraucher vom Netz zu trennen. Sicherungen haben eine relativ geringe Leistung, die die Sicherungen oder eine Art Trennvorrichtung ohne Gefahr einer Beschädigung oder Zerstörung durchtrennen können, die als ultimative Ausschaltleistung bezeichnet wird. Sicherungen sind Kork-, Platten- und Rohrsicherungen. Spiegelsicherungen sind für Spannungen bis 500 V und Ströme von 2 bis 60 A ausgelegt und werden zum Schutz von Beleuchtungsnetzen und Elektromotoren kleiner Leistung eingesetzt. Lamellensicherungen, die große Nachteile haben (Spritzen des Einsatzmetalls beim Durchbrennen, Schwierigkeiten beim Austauschen), werden derzeit versucht, nicht verwendet zu werden. Röhrenförmige Niederspannungssicherungen werden für Spannungen bis 500 V und Ströme von 6 bis 1000 A hergestellt. Konstruktiv können Röhrensicherungen mit einem offenen Porzellanrohr und mit einem geschlossenen Glas-, Faser- oder Porzellanrohr hergestellt werden. Rohre mit hindurchgeführten Schmelzloten sind oft mit Quarzsand bedeckt. In dem Moment, in dem die Sicherung durchbrennt, bricht der Sand den Lichtbogen in eine Reihe kleiner Lichtbögen, kühlt den Lichtbogen gut und er erlischt schnell. In Stromkreisen von Gleich- und Wechselstrom mit einer Spannung von bis zu 500 V werden automatische Luftschalter oder einfach Automaten verwendet. Der Zweck der Maschinen besteht darin, Stromkreise bei Überlastung oder Kurzschluss zu öffnen. Der Hauptteil des Thermorelais ist eine Bimetallplatte. Unter der Einwirkung der Wärme des Heizelements wird die Bimetallplatte verformt, die durch Biegen die Verriegelung freigibt. Unter der Wirkung einer Feder dreht sich die Verriegelung um die Achse und öffnet mit Hilfe einer Stange die normalerweise geschlossenen Kontakte des Hilfsstromkreises des Relais. Mit der Rückstelltaste wird die Falle wieder in ihre ursprüngliche Position gebracht. Das Heizelement des Thermorelais wird entsprechend dem Nennstrom des Motors ausgewählt. 85. SCHÜTZE UND STEUERUNGEN Zur ferngesteuerten und automatischen Steuerung von Elektromotoren, Schütze. Schütze sind je nach Stromart Gleich- und Wechselstromschütze. Bei einem Gleichstromschütz verläuft der durch das Schütz geschlossene Stromkreis durch Kontakte, die auf einer isolierenden Basis montiert sind, Kontakte des Schützes selbst und eine flexible stromführende Verbindung. Das Schütz wird durch einen Elektromagneten geschlossen, dessen Wicklung von einem Hilfssteuerkreis gespeist wird. Beim Schließen des Steuerkreises zieht der Elektromagnet den Anker an, der die Kontakte des Schützes schließt. Das Schütz wird in der Ein-Stellung gehalten, solange der Wicklungskreis des Elektromagneten geschlossen ist. Gleichstromschütze KP werden mit einem, zwei und drei Hauptkontakten gebaut, die in Gleichstromkreisen mit einer Spannung von 220, 440 und 600 V arbeiten. Die Nennströme, für die die Hauptkontakte ausgelegt sind, betragen 20 bis 250 A. Die Elektromagnetspule von KP Schütze ist für Spannung 48, 110 und 220 V ausgelegt. Neben den Hauptkontakten zum Schließen und Öffnen von Stromkreisen sind die Schütze mit Hilfskontakten für Meldekreise und andere Zwecke ausgestattet. KP-Schütze ermöglichen bis zu 240-1200 Schaltungen pro Stunde. Die Schaltspulen von AC-Schützen werden für Spannungen von 127, 220, 380 und 500 V bei einer Frequenz von 50 Hz gefertigt. Diese Schütze ermöglichen bis zu 120 Schaltungen pro Stunde. Um die Motoren zu starten, die Drehrichtung zu ändern, die Drehzahl zu regeln und die Motoren zu stoppen, werden Geräte genannt Controller. Je nach Art der Stromregler sind DC und AC. Als Leistungssteller werden Regler bezeichnet, deren Kontakte in die Leistungskreise von Elektromotoren eingebunden sind. Es gibt Steuerungen, die die Steuerkreise von elektromagnetischen Geräten schließen und die wiederum die Stromkreise von Elektromotoren schließen und öffnen. Solche Controller werden aufgerufen Controller. Steuerungen können je nach Ausführung des Kontaktsystems Trommel und Nocken sein. Die Welle der Trommelsteuerung wird mit dem Handrad gedreht. Kupferplatten in Form von Segmenten und beweglichen Kontakten sind auf der Welle isoliert von ihr befestigt. Die Segmente können unterschiedlich lang und um einen gewissen Winkel gegeneinander versetzt sein. Einige Segmente sind elektrisch miteinander verbunden. Wenn die Reglerwelle gedreht wird, werden ihre Segmente mit Festkontakten verbunden, die auf einer Isolierschiene montiert sind. Feste Fingerkontakte enden in leicht austauschbaren "Crackern". Durch die Verbindung der beweglichen Kontakte mit den festen Kontakten werden die notwendigen Umschaltungen im gesteuerten Stromkreis vorgenommen. Das Nockenschaltwerk besteht aus einem Satz von Kontaktelementen, die mit Hilfe von Nockenscheiben, die sich auf der Steuerwelle befinden, schließen und öffnen. Zur besseren Lichtbogenlöschung ist jedes Kontaktelement der Steuerung mit einer eigenen Lichtbogenlöscheinrichtung ausgestattet. Die Kontakte der Nockenschaltwerke haben eine höhere Schaltleistung als die Kontakte der Trommelschaltwerke und erlauben eine höhere Schaltzahl (bis zu 600 Schaltungen pro Stunde). 86. METHODEN ZUM STARTEN VON MOTOREN Asynchronmotoren können mit voller Spannung (Direktstart) und mit reduzierter Spannung gestartet werden. Der Direktstart erfolgt über Messerschalter, Schalter, Chargenschalter, Magnetstarter, Schütze und Steuerungen. Beim Direktstart liegt die volle Netzspannung am Motor an. Der Nachteil dieser Startmethode sind die großen Anlaufströme, die 27-mal größer sind als die Nennströme der Motoren. Am einfachsten ist der Direktstart von Asynchronmotoren mit Käfigläufer. Das Starten und Stoppen solcher Motoren erfolgt durch Ein- oder Ausschalten des Messerschalters usw. Das Starten von Asynchronmotoren mit Phasenrotor erfolgt über einen Anlaufwiderstand, der über Ringe und Bürsten mit der Rotorwicklung verbunden ist. Vor dem Starten des Motors können Sie sicherstellen, dass der Widerstand des Startwiderstands vollständig eingegeben ist. Am Ende der Inbetriebnahme wird der Rheostat sanft entfernt und kurzgeschlossen. Das Vorhandensein eines aktiven Widerstands im Rotorkreis beim Start führt zu einer Verringerung des Anlaufstroms und einer Erhöhung des Anlaufdrehmoments. Um die Anlaufströme von Asynchronmotoren zu reduzieren, wird die der Statorwicklung des Motors zugeführte Spannung reduziert. Sie können auch die dem Motor zugeführte Spannung reduzieren und gleichzeitig den Anlaufstrom des Motors mit einem Spartransformator reduzieren. Beim Start reduzieren Spartransformatoren die Spannung um 50-80%. Einer der Hauptnachteile von Synchronmotoren ist die Schwierigkeit, sie zu starten. Das Starten von Synchronmotoren kann mit einem Hilfsstartmotor oder durch einen asynchronen Start erfolgen. Wenn der Rotor eines Synchronmotors mit erregten Polen von einem anderen Hilfsmotor auf die Rotationsgeschwindigkeit des Statorfeldes gedreht wird, werden die Magnetpole des Stators, die mit den Polen des Rotors zusammenwirken, den Rotor unabhängig weiterdrehen lassen ohne fremde Hilfe, im Takt des Statorfeldes, also synchron. Zum Starten muss die Polpaarzahl des Asynchronmotors kleiner sein als die Polpaarzahl des Synchronmotors, da unter diesen Bedingungen der Hilfs-Asynchronmotor den Rotor des Synchronmotors bis zur Synchrondrehzahl drehen kann. Die Komplexität des Startens und die Notwendigkeit eines Hilfsmotors sind wesentliche Nachteile dieses Verfahrens zum Starten von Synchronmotoren. Daher wird es derzeit kaum verwendet. Um den asynchronen Anlauf eines Synchronmotors zu realisieren, wird eine zusätzliche kurzgeschlossene Wicklung in die Polschuhe der Rotorpole gelegt. Da beim Anlauf eine große EMK in der Erregerwicklung des Motors induziert wird, wird diese aus Sicherheitsgründen durch einen Messerschalter gegen Widerstand geschlossen. Wenn die Spannung eines Drehstromnetzes in der Statorwicklung eines Synchronmotors eingeschaltet wird, entsteht ein rotierendes Magnetfeld, das die in den Rotorpolschuhen eingebettete kurzgeschlossene Wicklung kreuzt und darin Ströme induziert. Diese Ströme, die mit dem rotierenden Feld des Stators wechselwirken, werden den Rotor veranlassen, sich zu drehen. Erreicht der Rotor eine höhere Drehzahl, schaltet der Schalter um, so dass die Rotorwicklung mit dem Gleichspannungsnetz verbunden wird. Der Nachteil des asynchronen Starts ist ein großer Anlaufstrom (5-7-facher Betriebsstrom). 87. DREHZAHLREGELUNG VON ELEKTROMOTOREN Die Rotationsgeschwindigkeit von DC-Elektromotoren kann durch Ändern der an den Motor gelieferten Spannung oder durch Ändern der Größe des Magnetflusses des Motors gesteuert werden. Die Größe der dem Anker des Motors zugeführten Spannung kann geändert werden, indem ein variabler Steuerwiderstand in Reihe mit dem Anker des Motors geschaltet wird oder indem die Wicklungen der Anker mehrerer Motoren in Reihe und parallel geschaltet werden. Die am häufigsten verwendete Methode zur Drehzahlregelung besteht darin, die Größe des magnetischen Flusses des Motors zu ändern. Zu diesem Zweck ist in der Erregerwicklungsschaltung des Motors ein Rheostat enthalten, der eine breite und gleichmäßige Einstellung der Motordrehzahl ermöglicht. Die Drehzahl von Asynchronmotoren wird durch eines der folgenden Verfahren gesteuert. 1. Änderung der Polzahl des Elektromotors. Um die Polpaarzahl des Motors ändern zu können, wird der Stator entweder mit zwei unabhängigen Wicklungen oder mit einer Wicklung ausgeführt, die auf unterschiedliche Polzahlen umgeschaltet werden kann. Die Umschaltung der Statorwicklungen erfolgt mit einem speziellen Gerät - Regler. Bei diesem Verfahren erfolgt die Anpassung der Motordrehzahl in Sprüngen. Die Anpassung der Motordrehzahl durch Veränderung der Polzahl ist nur bei Asynchronmotoren mit Käfigläufer möglich. Der kurzgeschlossene Rotor kann mit beliebig vielen Statorpolen betrieben werden. Im Gegensatz dazu kann der Rotor eines Motors mit einer Phasenwicklung nur mit einer bestimmten Anzahl von Statorpolen normal arbeiten. Andernfalls müsste auch die Rotorwicklung geschaltet werden, was große Komplikationen in die Motorschaltung bringen würde. 2. Ändern Sie die Frequenz des Wechselstroms. Bei diesem Verfahren wird die Frequenz des der Statorwicklung des Motors zugeführten Wechselstroms mit einem speziellen Generator geändert. Es ist vorteilhaft, die Stromfrequenzänderung anzupassen, wenn es eine große Gruppe von Motoren gibt, die eine gemeinsame gleichmäßige Drehzahlregelung erfordern. 3. Einführung von Widerstand in den Rotorkreis. Während des Motorbetriebs wird der Widerstand des Einstellwiderstands in den Rotorwicklungskreis eingeführt. Dieses Verfahren ist nur für Motoren mit einem Phasenrotor anwendbar. 4. Regelung mit Sättigungsdrosseln. Eine einphasige Sättigungsdrossel hat zwei Wicklungen: eine ist mit dem Wechselstromkreis verbunden, die andere, Steuer- oder Vorspannungswicklung genannt, ist mit einer Gleichspannungsquelle (Gleichrichter) verbunden. Mit zunehmendem Strom in der Steuerwicklung sättigt das Magnetsystem der Induktivität und der induktive Widerstand der Wechselstromwicklung nimmt ab. Durch Einbau von Drosseln in jede Phase eines Asynchronmotors und Ändern des Stroms der Steuerwicklung ist es möglich, den Widerstand im Motorstatorkreis und folglich die Drehzahl des Motors selbst zu ändern. Zum Starten von Hochleistungs-Gleichstrommotoren sowie zur weitgehenden Regelung der Motordrehzahl wird eine „Generator-Motor“-Schaltung, abgekürzt G-D, verwendet. Das G-D-System ermöglicht einen Sanftanlauf und eine weitreichende Regelung die Drehzahl des Motors. 88. BATTERIEN Wiederaufladbare Batterien sind mit Blei-Säure- oder Alkali-Batterien ausgestattet, von denen erstere am weitesten verbreitet sind. Die Batterie von stationären Blei-Säure-Batterien besteht aus Batterien des Typs C (stationär für lange Entladungsmodi) oder SC (stationär für kurze Entladungsmodi). Batterien SK unterscheiden sich von Typ-C-Batterien durch verstärkte Anschlusspole. Die Zahlen hinter der Buchstabenbezeichnung dieser Batterien charakterisieren deren Kapazität, Entlade- und Ladeströme. Typ-C-Batterien sind für eine Entladung über einen Zeitraum von 3 bis 10 Stunden ausgelegt; der maximal zulässige 3-Stunden-Entladestrom beträgt 9 A. SK-Batterien können in kürzerer Zeit entladen werden – bis zu 1 Stunde; Der maximal zulässige Entladestrom pro Stunde beträgt 18,5 A. Der Kurzzeit-Entladestrom (für nicht länger als 5 s) sollte 250 % des 250-Stunden-Entladestroms für Batterien des Typs C und XNUMX % des XNUMX-Stunden-Entladestroms für Batterien des Typs SK nicht überschreiten. Während des Ladevorgangs ist der maximale Ladestrom zulässig: 9 A für Batterien des Typs C und 11 A für Batterien des Typs CK. Der für jeden Batterietyp angezeigte Kapazitätswert variiert stark in Abhängigkeit von der Größe des Entladestroms und dem Entlademodus. Für stationäre Akkumulatoren werden Blei-Säure-Batterien vom Typ SP und SPK (stationär gepanzert) gepanzert verwendet. Für Gerätebatterien werden Blei-Säure-Batterien vom Typ ST (Starter) verwendet. Alkalibatterien sind mit Eisen-Nickel-Batterien vom Typ ZhN oder TGN bestückt. Die Batterienummer entspricht ihrer Nennkapazität in Amperestunden. Die Akkus werden mit dem Strom des normalen Lademodus für 6-7 Stunden geladen, eine beschleunigte Ladung ist in folgendem Modus erlaubt: zuerst für 2,5 Stunden mit einem doppelt so hohen Strom, dann für 2 Stunden mit einem normalen Strom Wert. Für tragbare Batterien werden Eisen-Nickel-Batterien 10 ZhN mit einer Spannung von 12,5 V verwendet; 4 SCHN-5 V; 5 ZhN-6,5 V. Während des Batteriebetriebs nimmt die Spannung jeder Zelle ab. Wenn Sie keine besonderen Maßnahmen ergreifen, sinkt auch die Batteriebusspannung. In dieser Hinsicht müssen, wenn die Batterie entladen ist, zusätzlich zu den Arbeitsbatterien neue Elemente angeschlossen werden. Somit besteht die Batterie aus einer Anzahl ständig arbeitender Zellen und mehreren Zellen, die nach Bedarf ein- und ausgeschaltet werden. Die Vorrichtung, durch die die Anzahl der aktiven Batteriezellen geändert wird, wird als elementarer Schalter bezeichnet. In Kraftwerken und Umspannwerken stehen folgende Arten von DC-Lasten zur Verfügung: 1) Konstantlast - Signal- und Kontrolllampen an Bedienfeldern, einige Schutz- und Automatisierungsrelais usw .; 2) vorübergehende Belastung - tritt bei einem Stromausfall des Umspannwerks mit Drehstrom auf; besteht aus Notlichtlampen und Gleichstrommotoren; 3) Kurzzeitlast - Mechanismen zum Einschalten elektrischer Aktuatoren von Schaltern, Teil von Schutz- und Automatisierungsrelais. 89. BATTERIEBETRIEB Es gibt zwei Arten des Batteriebetriebs: Ladung-Entladung и ständiges Aufladen. Der Lade-Entlade-Betrieb ist dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Laden der Batterie das Ladegerät abschaltet und die Batterie eine konstante Last (Alarmlampen, Steuergeräte), eine periodisch kurzzeitige Last (elektromagnetische Schutzschalterantriebe) und eine liefert Notladung. Die auf eine bestimmte Spannung entladene Batterie wird wieder an das Ladegerät angeschlossen, das beim Laden der Batterie gleichzeitig die Last speist. Bei einer nach dem Lade-Entlade-Verfahren arbeitenden Batterie wird alle drei Monate eine Ausgleichsladung (Nachladung) durchgeführt. Der Konstantlademodus ist wie folgt. Der Akku wird durch das Sub-Ladegerät ständig nachgeladen und ist somit jederzeit voll aufgeladen. Die im DC-Netz auftretenden Stoßbelastungen werden von der Batterie wahrgenommen. Einmal im Monat muss der im Erhaltungslademodus betriebene Akku über das Ladegerät aufgeladen werden. Zur Implementierung des Lade-Entlade-Modus wird eine Batterieschaltung mit einem Doppelelementschalter verwendet. Als Ladeeinheit wird ein Motorgenerator verwendet. Der Generator ist über Sicherungen, einen Überstromschutzschalter mit Rückstromrelais, ein Amperemeter und einen Zweistellungsschalter mit den Reifen verbunden. Die Maximalmaschine schützt den Generator vor Überlastung. Das Rückstromrelais schaltet den Generator ab, wenn seine EMF unter die Spannung an den Batteriebussen sinkt. Dies kann passieren, wenn die Generatordrehzahl reduziert wird, die den Motor versorgende Wechselspannung ausfällt und aus anderen Gründen. Wenn der Generator zu diesem Zeitpunkt nicht ausgeschaltet wird, wird er durch Umschalten in den Motormodus zu einer Belastung der Batterie. Die Gesamtzahl der an die Batterie angeschlossenen Batterien muss so bemessen sein, dass auch die auf die Mindestspannung entladenen Zellen die Nennspannung an den Batteriesammelschienen liefern müssen. Bei vernachlässigbarer Netzlast kann das Gerät Strom ins Netz einspeisen und gleichzeitig die Batterie laden. Am Ende des Ladevorgangs gibt der Generator jedoch eine Spannung ab, die größer ist als die, mit der das Netz normalerweise arbeitet. Wenn Sie einen Rheostat in das Netzwerk aufnehmen, können Sie aufgrund des darin enthaltenen Spannungsabfalls die Spannung reduzieren. Aber das ist unwirtschaftlich. Eine einfache Lösung für das Problem des gleichzeitigen Betriebs des Generators am Netz und an der Ladung ist die Verwendung eines Zwei-Element-Schalters im Stromkreis. Letzteres ermöglicht es, die Differenz zwischen der Generatorspannung und der Netzspannung zum Laden einer an den Schalter angeschlossenen Gruppe von Batterien zu verwenden. Batterien befinden sich in einem speziellen Raum im Untergeschoss oder im ersten Stock eines Kraftwerks- oder Umspannwerksgebäudes. Der Raum muss trocken sein und darf keinen plötzlichen Temperaturänderungen, Erschütterungen oder Vibrationen ausgesetzt sein. Der Eingang zum Zimmer erfolgt mit einem Vorraum. Die Raumtemperatur auf Höhe der Akkumulatoren sollte nicht unter 10o liegen. Der Batterieraum muss über eine Zu- und Abluftführung verfügen. 90. SICHERHEIT IN ELEKTRISCHEN GERÄTEN Arbeiten an elektrischen Anlagen sind absolut sicher, wenn das Bedienungspersonal die Regeln des technischen Betriebs und die Sicherheitsvorschriften strikt einhält. Dazu dürfen Personen, die die Sicherheitsregeln studiert haben und Bescheinigungen über Kenntnisprüfungen mit Zuordnung zu einer Qualifikationsgruppe erhalten haben, an elektrischen Anlagen arbeiten. Grundlegende Schutzausrüstung bezeichnet man Geräte, deren Isolation der Betriebsspannung der Anlage zuverlässig standhält und mit denen unter Spannung stehende Teile berührt werden dürfen. Zu den wichtigsten isolierenden Schutzausrüstungen in Anlagen aller Spannungen gehören Isolierstäbe zum Betriebsschalten, zum Messen, zum Anbringen der Erdung und für andere Zwecke sowie Isolierklemmen für Sicherungen, und in Niederspannungsanlagen zusätzlich dielektrische Handschuhe und Fäustlinge sowie eine Monteurskleidung Werkzeug mit isolierenden Griffen. Zusätzliche Schutzmittel sind solche Einrichtungen, die allein keine Sicherheit gegen elektrischen Schlag gewährleisten können und dazu dienen, die Wirkung der Hauptschutzmittel zu verstärken und auch dem Schutz vor Berührungsspannung, Schrittspannung und Lichtbogenverbrennungen dienen. Zusätzliche schützende Isoliermittel in Hochspannungsanlagen umfassen: dielektrische Handschuhe und Fäustlinge, dielektrische Stiefel, Gummimatten und -schienen, isolierende Ständer. Bei allen Hochspannungsarbeiten sollte die primäre Schutzausrüstung in Verbindung mit der sekundären verwendet werden. Schutzausrüstungen, sowohl in Gebrauch als auch auf Lager, müssen nummeriert und ihr Zustand zu bestimmten Zeiten überprüft werden. Reparatur- und Installationsarbeiten müssen bei ausgeschaltetem Gerät durchgeführt werden. Wenn die Anlage aus irgendeinem Grund nicht abgeschaltet werden kann, müssen bei Arbeiten unter Spannung die Sicherheitsvorschriften mit Schutzvorrichtungen (Isolierkissen, Gummihandschuhe, Schutzbrille usw.) eingehalten werden. Bei Arbeiten unter Hochspannung sind folgende Vorsichtsmaßnahmen zu beachten: 1) Arbeiten dürfen nur von einer Gruppe von Arbeitnehmern (mindestens zwei) ausgeführt werden, damit einer von ihnen im Falle eines Unfalls einem anderen helfen kann; 2) Arbeiter müssen gut vom Boden isoliert sein; 3) Arbeiter sollten während der Arbeit keine nicht isolierten Personen sowie Metallteile berühren; 4) Vor Beginn der Arbeiten müssen alle Schutzeinrichtungen von den Arbeitern selbst sorgfältig überprüft werden. Vor Beginn der Arbeiten an Hochspannungsanlagen und -geräten ist mit geeigneten Instrumenten sicherzustellen, dass in dem Teil der Anlage, in dem die Arbeiten durchgeführt werden, keine Spannung anliegt. Dann müssen Sie die Sammelreifen, Kabel von Transformatoren entladen, auf Kurzschluss prüfen, schließen und sicher erden. Autor: Kosareva O.A.
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