Электротехника и основы электроники

 
 
 
 
 
 
М. М. Лыгин 
Г. П. Корнилов 
 
 
 
 
 
 
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА 
И ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 

УДК 621.313  
ББК 31.261 
Л88 
 
 
 
Рецензенты: 
кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой автоматизированного  
электропривода и мехатроники ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический  
университет им. Г. И. Носова» А. А. Николаев; 
и. о. начальника цеха Электрических сетей и подстанций ПАО «ММК» Д. В. Игнатьев  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Лыгин, М. М. 
Л88  
Электротехника и основы электроники : учебное пособие / М. М. Лыгин, Г. П. Корнилов. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 
236 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1735-8 
 
Дано представление об основных понятиях и определениях из электротехники и основ электроники. Рассматриваются физические явления, 
происходящие в электрическом и магнитном поле, методы расчёта цепей 
постоянного тока, основные понятия о постоянном и переменном токе, 
трёхфазные цепи переменного тока, линейные и нелинейные элементы 
электрических цепей, принцип работы основных элементов электроники.  
Для студентов ВО направления 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» и СПО направления 08.02.09 «Монтаж, наладка и эксплуатация электрооборудования промышленных и гражданских зданий». 
 
УДК 621.313  
ББК 31.261 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1735-8 
© Лыгин М. М., Корнилов Г. П., 2024 
 
© Бобина А. В., обложка, 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
2 

СОДЕРЖАНИЕ 
 
Глава 1. ЭЛЕКТРОТЕХНИКА ................................................................................. 5 
1.1. Введение в электротехнику 
............................................................................... 5 
1.2. Электронная теория строения материалов. Электрический ток ................. 13 
1.3. Соединение приёмников и преобразование схем. Основные законы 
......... 19 
1.4. Понятия об электрической цепи. Схемы электрической цепи .................... 25 
1.5. Электрическая работа. Виды воздействия электрического тока 
................. 32 
1.6. Постоянный ток. Источники постоянного тока ............................................ 39 
1.7. ЭДС. Цепи с несколькими источниками ЭДС .............................................. 45 
1.8. Преобразование электрических схем ............................................................. 52 
1.9. Понятие потенциала. Потенциальная диаграмма, особенности её  
построения 
................................................................................................................ 60 
1.10. Методы расчёта цепей постоянного тока с несколькими  
источниками ЭДС 
.................................................................................................... 67 
1.11. Нелинейные электрические цепи постоянного тока.  
Нелинейные элементы ............................................................................................ 71 
1.12. Электрическое поле. Основные характеристики ........................................ 79 
1.13. Конденсатор, виды конденсаторов и их ёмкость 
........................................ 84 
1.14. Магнитное поле. Расчёт магнитного поля, закон Ампера ......................... 90 
1.15. Катушки индуктивности, типы, основные параметры 
............................... 97 
1.16. Магнитная цепь, законы магнитной цепи 
.................................................. 104 
1.17. Электромагнитная индукция. Индуктивность. ЭДС самоиндукции ...... 110 
1.18. Преобразование механической энергии в электрическую.  
Принцип работы простейшего электрогенератора ............................................ 115 
1.19. Основные понятия о переменном токе ...................................................... 121 
1.20. Элементы и параметры электрических цепей переменного тока ........... 126 
1.21. Резонанс токов. Колебательный контур .................................................... 133 
1.22. Трёхфазные цепи переменного тока. Соединение звездой  
и треугольником .................................................................................................... 138 
1.23. Несимметричные и аварийные режимы работы трёхфазных цепей 
....... 148 
1.24. Показатели качества электрической энергии 
............................................ 152 
1.25. Гармоники в трёхфазных цепях 
.................................................................. 158 
1.26. Переходные процессы в электрических цепях 
.......................................... 163 
1.27. Нелинейные электрические цепи переменного тока 
................................ 167 
1.28. Методы измерения. Электроизмерительные приборы 
............................. 172 
Глава 2. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ .................................................................. 179 
2.1. Основы электронной теории ......................................................................... 179 
2.2. Полупроводниковые резисторы 
.................................................................... 185 
2.3. Полупроводниковые диоды .......................................................................... 191 
2.4. Транзисторы 
.................................................................................................... 197 
3 

 
2.5. Тиристоры ....................................................................................................... 203 
2.6. Интегральные микросхемы ........................................................................... 209 
2.7. Электронные усилители ................................................................................ 215 
2.8. Выпрямители .................................................................................................. 220 
2.9. Основы микропроцессорной техники .......................................................... 228 
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 
.................................................................. 232 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
4 

Глава 1 
 
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА 
 
1.1. Введение в электротехнику 
 
Электротехника – это наука о процессах, связанных с практическим применением электрических и магнитных явлений. Также электротехникой называют отрасль техники, которая применяет их в промышленности, медицине, военном деле и т. д. 
Большое значение электротехники во всех областях деятельности человека 
объясняется преимуществами электрической энергии перед другими видами 
энергии, а именно: 
1) электрическую энергию легко преобразовать в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую, химическую и др.), и наоборот, в электрическую энергию легко преобразуются любые другие виды энергии; 
 
 
 
Рис. 1.1.1. Схема тепловой электростанции 
 
2) электрическую энергию можно передать практически на любые расстояния, чем и занимается электротехника. Это даёт возможность строить электростанции (Рис. 1.1.1) в местах, где имеются природные энергетические ресурсы, 
и передавать электрическую энергию в места, где расположены источники промышленного сырья, но нет местной энергетической базы; 
5 

3) электрическую энергию удобно дробить на любые части в электрических 
цепях (мощность приёмников электроэнергии может быть от долей Ватта до 
тысяч киловатт); 
4) процессы получения, передачи и потребления электроэнергии легко поддаются автоматизации в электротехнике; 
5) процессы, в которых используется электрическая энергия, допускают 
простое управление (нажатие кнопки, выключателя и т. д.). 
Единственным недостатком электрической энергии является невозможность запасать её в больших количествах и сохранять эти запасы в течение длительного времени. Запасы электрической энергии в аккумуляторах, гальванических элементах и конденсаторах достаточны лишь для работы сравнительно маломощных устройств, причём сроки её сохранения ограничены. Поэтому электрическая энергия должна быть произведена тогда, когда её требует потребитель, и в том количестве, в котором она ему необходима.  
Особенности электроэнергетической системы: 
1. Производство электроэнергии, ее распределение и преобразование в другие виды энергии осуществляются практически в один и тот же момент времени. Именно эта особенность превращает всю сложную электроэнергетическую 
систему, отдельные звенья которой могут быть географически удалены на многие сотни километров, в единый механизм, и приводит к тому, что все элементы 
системы взаимно связаны и взаимодействуют. Энергия, произведенная в системе, равна энергии, потребленной в ней.  
2. Относительная быстрота протекания переходных процессов в системе. 
Волновые процессы совершаются в тысячные или даже миллионные доли секунды; процессы, связанные с короткими замыканиями, включениями и отключениями, качаниями, нарушениями устойчивости, совершаются в течение долей 
секунды или нескольких секунд. 
3. Система тесно связана со всеми отраслями промышленности, связью, 
транспортом и т. п. Эта связь осуществляется гигантской совокупностью разнообразнейших приемников электрической системы, получающей питание электроэнергией от современной энергетической системы. Эта особенность энергетической системы резко повышает актуальность обеспечения надежности работы энергосистемы и требует создания в энергетических системах достаточного 
резерва мощности во всех ее элементах.  
В развитии электротехники условно можно выделить следующие шесть 
этапов. 
 
1. Становление электростатики (до 1800 г.) 
 
К этому периоду относятся первые наблюдения электрических и магнитных явлений, создание первых электростатических машин и приборов, исследования атмосферного электричества, разработка первых теорий электричества, 
установление закона Кулона (Рис. 1.1.2), зарождение электромедицины.  
 
6 

 
 
Рис. 1.1.2. Крутильные весы и Шарль Огюстен де Кулон 
 
2. Закладка фундамента электротехники, ее научных основ  
(1800–1830 гг.) 
 
 
 
Рис. 1.1.3. Вольтов столб и Алессандро Джузеппе Антонио Анастасио Вольта 
 
Начало этого периода ознаменовано созданием «вольтова столба»  
(Рис. 1.1.3) – первого электрохимического генератора, а вслед за ним «огромной наипаче батареи» В. В. Петрова, с помощью которой им была получена 
электрическая дуга и сделано много новых открытий. Важнейшими достижениями этого периода является открытие основных свойств электрического то7 

ка, законов Ампера, Био – Савара, Ома, создание прообраза электродвигателя, 
первого индикатора электрического тока (мультипликатора), установление 
связей между электрическими и магнитными явлениями.  
 
3. Зарождение электротехники (1830–1870 гг.) 
 
 
 
Рис. 1.1.4. Первый электромашинный генератор и Макйл Фарадей 
 
Самым знаменательным событием этого периода явилось открытие М. Фарадеем явления электромагнитной индукции, создание первого электромашинного генератора (Рис. 1.1.4). Разрабатываются разнообразные конструкции электрических машин и приборов, формулируются законы Ленца и Кирхгофа, создаются первые источники электрического освещения, первые электроавтоматические приборы, зарождается электроизмерительная техника. Однако широкое практическое применение электрической энергии было невозможно из-за 
отсутствия экономичного электрического генератора.  
 
4. Становление электротехники как самостоятельной отрасли техники 
(1870–1890 гг.) 
 
 
 
Рис. 1.1.5. Динамомашина и Эрнст Вернер Фон Сименс 
8 

Создание первого электромашинного генератора с самовозбуждением 
(динамомашины – Эрнст Вернер Фон Сименс) открывает новый этап в развитии электротехники, которая становится самостоятельной отраслью техники 
(Рис. 1.1.5).  
В связи с развитием промышленности, ростом городов возникает острая 
потребность в электрическом освещении, начинается строительство «домовых» 
электрических станций, вырабатывающих постоянный ток. Электрическая энергия становится товаром, и все более остро ощущается необходимость централизованного производства и экономичной передачи электроэнергии на значительные расстояния. Решить эту проблему на базе постоянного тока было нельзя изза невозможности трансформации постоянного тока.  
 
5. Становление и развитие электрификации (с 1891 г.) 
 
 
 
Рис. 1.1.6. Трёхфазный синхронный генератор  
и Михаил Осипович Доливо-Добровольский 
 
Важнейшей предпосылкой разработки трехфазных систем явилось открытие (1888 г.) явления вращающегося магнитного поля. Первые многофазные 
двигатели были двухфазными.  
Трехфазная система оказалась наиболее рациональной, так как имела ряд 
преимуществ как перед однофазными цепями, так и перед другими многофазными системами. В разработку трехфазных систем большой вклад внесли ученые и инженеры разных стран. Но наибольшая заслуга принадлежит М. О. Доливо-Добровольскому, сумевшему придать своим работам практический характер, создавшему трехфазные синхронные генераторы и асинхронные двигатели, 
трансформаторы (Рис. 1.1.6).  
 
 
 
9 

6. Зарождение и развитие электроники (первая четверть XX в.) 
 
 
 
Рис. 1.1.7. Электронные устройства 
 
Рост потребности в постоянном токе (электрохимия, электротранспорт и 
др.) вызвал необходимость в развитии преобразовательной техники, что привело к зарождению, а затем бурному развитию промышленной электроники.  
Электротехника становится базой для разработки автоматизированных систем управления энергетическими и производственными процессами. Создание 
разнообразных электронных, в особенности микроэлектронных устройств позволяет коренным образом повысить эффективность автоматизации процессов 
вычислений, обработки информации, осуществлять моделирование сложных 
физических явлений, решение логических задач и др. при значительном снижении габаритов, устройств, повышении их надежности и экономичности.  
 
Проверочный тест 
 
1. Как называется наука о процессах, связанных с практическим применением электрических и магнитных явлений?  
a) Электротехника. 
b) Электроника. 
c) Электростатика. 
d) Электродинамика. 
 
2. Что из перечисленного можно отнести к преимуществам электрической энергии?  
a) Легко преобразовать в другие виды энергии. 
b) Легко передавать на любые расстояния. 
c) Можно хранить запасы в течение длительного времени. 
d) Безопасно для жизни человека. 
 
10