Елементи електричних кіл можуть бути лінійними та нелінійними, зосередженими і
 Скачать 40.81 Mb.
|
|
17. Схема стабілізації робочої точки транзистора, включеного за схемою з загальним емітером. Розрахунок елементів схеми. Характеристики электронных устройств во многом определяются режимом работы транзистора. Однако режим работы транзистора зависит от многих факторов ив первую очередь от коэффициента усиления самого транзистора. Коэффициент усиления транзистора потоку э меняется в зависимости от температуры, разброса параметров самих транзисторов, напряжения питания, радиации. Для стабилизации режима работы транзистора применяется отрицательная обратная связь по постоянному току и наилучшими характеристиками обладает схема эмиттерной стабилизации. В схемах усилителей радиочастоты и усилителей промежуточной частоты эмиттерная стабилизация применяется также часто, как ив схемах усилителей низкой частоты. Схема эмиттерной стабилизации в каскаде с общим эмиттером приведена на рисунке 1. Рисунок 1. Схема эмиттерной стабилизации в каскаде с общим эмиттером Обратите внимание, что схема приведена для полосового усилителя, такого как усилитель промежуточной частоты или усилитель радиочастоты. Схема эмиттерной стабилизации в каскаде с общим коллектором приведена на рисунке 2. Теперь рассмотрим как можно рассчитать значение элементов схемы эмиттерной стабилизации. Напряжение на эмиттере транзистора обычно выбирают равным половине питания схемы. Для кремниевых транзисторов напряжение база-эмиттер равно 0,7 В. Напряжение на базе транзистора по закону Киргофа равно сумме напряжения на эмиттере и напряжения база-эмиттер транзистора. Поэтому напряжение на базе транзистора должно быть равно б = п + U бэ = 3,3 В + 0,7 В = 2,4 В Рассчитанное напряжение на базе транзистора может быть получено при помощи сопротивлений R1 и R2. Для того, чтобы транзистор не влиял на это напряжение ток через эти резисторы выбирается в десять раз больше тока базы транзистора. Ток базы можно определить, задавшись рабочим током коллектора транзистора. Обычно задаются значением тока 5 мА. (Если требуется работа в режиме микропотребления, то можно выбрать меньший ток, например, в районе 100 мкА, но при этом резко упадет коэффициент усиления транзистора потоку) Тогда ток базы будет равен б = i к /h 21э = 5 мА = 250 мкА. И тогда ток делителя через резисторы R1 и R2 определяется следующим образом д = б = 250 мкА * 10 = 2,5 мА. Зная токи напряжение на базе транзистора, по закону Ома можно определить сопротивление R2: R2 = U б /i д = 2,4 В мА = 960 Ом. Точно также зная токи напряжение питания схемы, по закону Ома можно определить суммарное сопротивление R1 + R2:R1 + R2 = U п /i д = 3,3 В мА = 1,32 кОм. Отсюда R1 = (R1 + R2) – R2 = 1,32 кОм – 960 Ом = 360 Ом 18. RS - тригер на логічних елементах І-НІ та АБО-НІ. Таблиці станів тригера. Одним из важнейших элементов цифровой техники является триггер (англ. Trigger) защёлка, спусковой крючок. Сам триггер не является базовым элементом, так как он собирается из более простых логических схем. Семейство триггеров весьма обширно. Это триггеры T, D, C, JK, но основой всех является самый простой триггер. Триггеры широко используются для создания различных счетчиков и делителей частоты. На них строятся элементы памяти, такие как ОЗУ или регистры. Именно поэтому трудно найти работу выпускнику, который не освоил работу с триггерами. Изучение работы триггеров начнем с простейшего триггера, который называется RS триггер. RS триггер получил название по названию своих входов. Вход S (Set — установить англ) позволяет устанавливать выход триггера Q в единичное состояние (записывать единицу. Вход R (Reset — сбросить англ) позволяет сбрасывать выход триггера Q (Quit — выход англ) в нулевое состояние (записывать ноль. Для реализации RS триггера воспользуемся логическими элементами "2И-НЕ". Его принципиальная схема приведена на рисунке 1. Рисунок 1. Схема простейшего rs триггера на схемах "2И-НЕ". Входы R и S инверсные (активный уровень) Рассмотрим принцип работы RS триггера, выполненный по изображенной на рисунке 1 схеме подробнее. Пусть на входы R и S подаются единичные потенциалы. Если на выходе верхнего логического элемента "2И-НЕ" Q присутствует логический ноль, тона выходе нижнего логического элемента "2И- НЕ" появится логическая единица. Эта единица подтвердит логический ноль на выходе Q. Если на выходе верхнего логического элемента "2И-НЕ" Q первоначально присутствует логическая единица, тона выходе нижнего логического элемента "2И-НЕ" появится логический ноль. Этот ноль подтвердит логическую единицу на выходе Q. То есть при единичных входных уровнях схема RS триггера работает точно также как и схема на инверторах. Подадим на вход S нулевой потенциал. Согласно таблице истинности логического элемента "И- НЕ" на выходе Q появится единичный потенциал. Это приведёт к появлению на инверсном выходе триггера нулевого потенциала. Теперь, даже если снять нулевой потенциал с входа S, на выходе триггера останется единичный потенциал. То есть мы записали в триггер логическую единицу. Точно также можно записать в триггер и логический ноль. Для этого следует воспользоваться входом R. Так как активный уровень на входах оказался нулевым, то эти входы — инверсные. Составим таблицу истинности RS триггера. Входы R ив этой таблице будем использовать прямые, то есть и запись нуля, и запись единицы будут осуществляться единичными потенциалами (таблица 1). Таблица 1. Таблица истинности RS триггера. R S Q(t) Q(t+1) Пояснения 0 0 0 0 Режим хранения информации R=S=0 0 0 1 1 0 1 0 1 Режим установки единицы S=1 0 1 1 1 1 0 0 0 Режим записи нуля R=1 1 0 1 0 1 1 0 * R=S=1 запрещенная комбинация 1 1 1 * RS триггер можно построить и на логических элементах "ИЛИ. Его схема приведена на рисунке 2. Принцип работы RS триггера, собранный на логических элементах "ИЛИ" будет точно таким же, как и рассмотренный ранее. Единственное отличие в работе этой схемы по сравнению с предыдущей схемой RS триггера будет заключаться в том, что сброс и установка триггера будет производиться единичными логическими уровнями. Эти особенности связаны с принципами работы инверсной логики, которые рассматривались ранее. Рисунок 2. Схема простейшего RS триггера на схемах "ИЛИ. Входы R и S прямые (активный уровень '1') Так как RS триггер при реализации его на логических элементах "И" и "ИЛИ" работает одинаково (его принцип работы от схемы не зависит, то и условно- графическое изображение на принципиальных схемах тоже одинаково. Условно- графическое изображение RS триггера на принципиальных схемах приведено на рисунке 3. Рисунок 3. Условно-графическое обозначение RS триггера 19. Обмежувачі. Робота, параметри. Амплитудные ограничители. Введение Амплитудный ограничитель представляет собой электронное устройство, которое имеет пороги ограничения, за пределами которых входной сигнал практически не изменяется и остаётся равным пороговому значению. Исходя из этого, можно выделить три типа амплитудных ограничителей ограничитель по максимуму или сверху. В данном случае сигнал на выходе устройства при превышении порогового значения тока или напряжения остаётся практически неизменным ограничитель по минимуму или снизу. В таком устройстве устройства остаётся неизменным при значении входного сигнала меньше некоторого порогового значения двухсторонний ограничитель. Такое устройство ограничивает сигнал и по максимуму и по минимуму входного сигнала. Абсолютное большинство амплитудных ограничителей строят на основе ключевых свойств радиоэлектронных элементов, поэтому основным элементом ограничителей являются диоды или транзисторы в ключевом режиме работы. Диодные ограничители довольно простые по устройству, поэтому наиболее часто встречающиеся. Амплитудные ограничители на основе транзисторов несколько сложнее по устройству, но кроме амплитудного ограничения они позволяют усиливать сигнал, поэтому их ещё называют усилителями-ограничителями. Различают также последовательные и параллельные ограничители. Эта их особенность зависит от способа включения ключевого элемента относительно нагрузки. Необходимо отметить, что последовательные ограничители включаются в работу, когда ключ разомкнута параллельные ограничители работают в режиме ограничения в случае замкнутого ключевого элемента. Последовательные диодные ограничители Как говорилось выше, ограничители бывают по максимуму, по минимуму и двухсторонние, которые ограничивают уровень сигнала сверху и снизу. Устройство последовательных диодных ограничителей довольно простое и оно основано на ключевом свойстве полупроводникового диода в открытом состоянии диод пропускает электрический тока в закрытом – электрический ток через диод не проходит. Последовательные диодные ограничители состоят из диода (VD1), источника смещения (E CM ) и сопротивления нагрузки (R1). Различие состоит в том, как подключен диод в ограничителе по минимуму диод включен в прямом направлении, а в ограничителе по максимуму – в обратном направлении. Рассмотрим принцип работы ограничителя по минимуму. При значении входного напряжения U ВХ меньше, чем напряжение смещения Е СМ , диод VD1 будет находиться в закрытом состоянии и напряжение на выходе U ВЫХ будет соответствовать напряжению смещения. Как только входное напряжение превысит напряжение смещения, диод откроется и через него начнёт проходить электрический тока напряжение на выходе будет соответствовать входному напряжению. Схема и эпюры напряжения последовательного ограничителя по минимуму. Принцип работы ограничителя по максимуму состоит в следующем. При значении входного напряжения U ВХ меньше напряжения смещения диод VD1 находится в открытом состоянии и напряжение на выходе U ВЫХ будет равным напряжению смещения. Как только входное напряжение превысит значение напряжения смещения, диод откроется и выходное напряжение будет равным входному напряжению. Схема и эпюры напряжения последовательного ограничителя по максимуму. Для ограничения сигналов сверху и снизу используются двухсторонние ограничители, которые чаще всего состоят из двух последовательно включённых односторонних ограничителей. Схема двухстороннего последовательного ограничителя и эпюры напряжения. Принцип работы двухстороннего ограничителя заключается в следующем. Напряжение источников смещения выбирают так, чтобы в отсутствии входного сигнала диод VD2 был открыт (Е СМ1 < Е СМ2 ). Уровень ограничения напряжения по максимуму определяется напряжением смещения Е СМ2 , а уровень ограничения по минимуму – напряжением в точке соединения диодов VD1 и VD2, которое соответствует напряжению отпирания диода VD1. Диод VD1 открывается, когда напряжение на входе превышает величину напряжения Е СМ1 . При этом напряжение на выходе ограничителя примерно равно напряжению на входе, а когда входное напряжение превышает величину Е СМ2 , то диод VD2 закрывается и напряжение на выходе будет равно напряжению Е СМ2 Довольно часто вместо предыдущей схемы используется эквивалентная схема двухстороннего ограничителя с общим источником смещения. Схема двухстороннего последовательного ограничителя с общим источником смещения. Расчёт данной схемы аналогичен предыдущей, если пересчитать её параметры с помощью следующих соотношений: Расчёт последовательных диодных ограничителей Простейший последовательный диодной ограничитель представляет собой схему, состоящую из диода VD1, включённого последовательно с резистором R1. Данная схема в отсутствии дополнительного источника напряжения смещения Е см является ограничителем с нулевым уровнем ограничения. Фактически данная схема представляет собой диодный ключ, вследствие конечных значений сопротивления закрытого и открытого ключа, данную схему можно преобразовать в делитель напряжения на резисторах, а выходное напряжение тогда определится последующей формуле где U BX – входное напряжение, • R1 – сопротивление нагрузки, • R VD – сопротивление диода в прямом направлении. В случае использования дополнительного источника напряжения смещения выходное напряжение определится последующей формуле где Есм – напряжение смещения. Из вышесказанного можно сделать вывод, что при сопротивлении нагрузки R1 >> R VD , то есть чем больше сопротивление нагрузки R1 по отношению к сопротивлению диода в прямом направлении, тем больше напряжение на выходе соответствует входному напряжению. Параллельные диодные ограничители Также как и последовательные диодные ограничители, параллельные диодные ограничители бывают по максимуму, по минимуму и двухсторонние. Основное отличие в принципе работы параллельных ограничителей от последовательных ограничителей состоит в том, что параллельные пропускают сигнал, когда диод находится в закрытом состоянии, и ограничивают, когда диод открыт. Параллельные диодные ограничители в основном состоят из следующих элементов источник напряжения смещения Е СМ служит для установки уровня ограничения, сопротивление R1 создает вместе с диодом VD1 делитель напряжения и непосредственно диод VD1 выполняет роль ключевого элемента. Различие между ограничителями сверху и снизу, как уже говорилось выше, состоит в том, как подключен диод. Рассмотрим схему и принцип работы параллельного ограничителя по минимуму. При значении входного напряжения U ВХ меньше, чем напряжение смещения Е СМ , диод VD1 будет находиться в открытом состоянии, атак как R1 и сопротивление диода в открытом состоянии невелико, то всё напряжение будет оставаться на сопротивлении R1, а на выходе напряжение U ВЫХ будет равно сумме напряжений Е СМ и падению напряжения на диоде. Как только входное напряжение превысит напряжение смещения, диод закроется итак как сопротивление диода в закрытом состоянии очень велико, тона выходе ограничителя будет напряжение равное входному напряжению. Схема и эпюры напряжения параллельного ограничителя по минимуму. Принцип работы параллельного ограничителя по максимумуотличается от параллельного ограничителя по минимуму только направлением включения диода. Таким образом, при входном напряжении U ВХ меньшем напряжении смещения Е СМ диод будет закрыт и всё входное напряжение будет приложено к нагрузке. Как только входное напряжение превысит значение равное сумме напряжения смещения и напряжения падения на диоде, то диод откроется, и напряжение на выходе останется равным сумме напряжения смещения и напряжения падения на диоде. Схема и эпюры напряжения параллельного ограничителя по максимуму. Как говорилось выше, существуют также двухсторонние ограничители параллельного типа, которые представляют собой последовательно соединенные параллельные ограничители по минимуму и по максимуму. По принципу работы двухсторонние ограничители аналогичны односторонним ограничителям, нов этом случае резистор R1 является общим для двух последовательно включенных ограничителей. Схема и эпюры напряжения параллельного двухстороннего ограничителя. Расчёт параллельных диодных ограничителей Простейший параллельный диодный ограничитель представляет собой схему состоящую из диода VD1, включённого параллельно нагрузке и ограничительного резистора R1. В отсутствии источника напряжения смещения Е см данная схема является амплитудным ограничителем с нулевым уровнем ограничения. Как и схема с последовательным диодом, данную схему можно представить в виде делителя напряжения на резисторах, в которой выходное напряжение будет равно: • где U BX – входное напряжение, • R1 – ограничительный резистор, • R VD – сопротивление диода в обратном направлении. В случае использования дополнительного источника напряжения смещения выходное напряжение определится последующей формуле где Есм – напряжение смещения. Из вышесказанного можно сделать вывод, что при сопротивлении нагрузки R1 << R VD , то есть чем меньше ограничительное сопротивление по отношению к сопротивлению диода в обратном направлении, тем напряжение на выходе больше соответствует входному напряжению. Амплитудные ограничители находят самое широкое распространение в импульсных схемах и могут выполнять следующие функции формирование импульсов с плоской вершиной пропускание импульсов с определённой полярностью и амплитудой формирование импульсов стандартной амплитуды ограничение уровня сигнала для сокращения длительности фронта и среза фиксирование уровня сигнала дляподдержание напряжения и тока на заданном уровне • демпферирование колебаний ударного возбуждения в контурах. 20. Комплексний опір. Векторні діаграми RC, LC, RL послідовних двополюсників. Імпеда́нс (англ. impedance від лат. impedio — перешкоджати) — комплексний опір, який позначається здебільшого і вимірюється в Омах. Імпеданс визначається, як , де — активний опір, — реактивний опір. Імпеданс можна записати й у тригонометричній формі: , де — абсолютна величина імпедансу, а — фаза. Абсолютна величина імпедансу дорівнює Використання імпедансу дозволяє, розраховуючи електричні кола, визначати водночас амплітуду й фазу струму та напруги на елементах кола. При прохождении гармонического тока i = Imcosωt через электрическую цепь, состоящую из последовательно соединенных элементов R, L, С(рисунок 2.13), на зажимах этой цепи создается гармоническое напряжение, равное алгебраической сумме гармонических напряжений на отдельных элементах (второй закон Кирхгофа и = uR + и + uC. (2.14) Напряжение uR на сопротивлении R совпадает по фазе стоком, напряжение uL на индуктивности L опережает, а напряжение и на емкости Сотстает от i на π/2 (рисунок 2.14). (2.14) Следовательно, напряжение и на зажимах всей цепи равно (2.15) Уравнение (2.15) представляет тригонометрическую форму записи второго закона Кирхгофа для мгновенных значений напряжений. Входящая в него величина Х Х - Х = ωL - называется реактивным сопротивлением цепи, которое в зависимости от знака может иметь индуктивный Х > 0) или емкостный (Х < 0) характер. В отличие от реактивного сопротивления Х активное сопротивление R всегда положительно. Для нахождения U и φ воспользуемся векторной диаграммой, соответствующей уравнению (2.15). На рисунке 2.15, а показан случай, когда Хина рисунке 2.15, б случай когда Х < 0. Падение напряжения оттока в активном и реактивном сопротивлениях изображается катетами прямоугольного треугольника напряжения а, гипотенуза которого изображает напряжение на зажимах цепи. Отсюда или Полученное выражение показывает, что действующие значения (также, как и амплитуды) напряжения на зажимах цепи и тока, проходящего через данную цепь, связаны соотношением, аналогичным закону Ома U = zI; Um = zIm, где величина (2.16) называется полным сопротивлением рассматриваемой цепи. Активное, реактивное и полное сопротивления относятся к числу основных понятий, применяемых в теории электрических цепей. Из векторных диаграмм следует, что угол фазового сдвига тока i относительно напряжения и равен (2.17) Если задано напряжение u = Umcos(ωt+y) на зажимах цепи с последовательно соединенными R, L и Сто ток определяется по формуле i = cos(ωt+y-φ) Угол φ, равный разности начальных фаз напряжения и тока, отсчитывается по оси ωt в направлении от напряжения к току и является углом острым, прямым или равным нулю |φ| Угол φ положителен при индуктивном характере цепи, те. при Х > 0; при этом ток отстает по фазе от напряжения, и φ отсчитывается в положительном направлении на временной диаграмме вправо от напряжения к току (рисунок 2.16, а, а на векторной диаграмме против хода часовой стрелки оттока к напряжению U (рисунок 2.15, а. Угол φ отрицателен при емкостном характере цепи, те. при X < 0, при этом ток опережает по фазе напряжение, и φ отсчитывается в отрицательном направлении на временной диаграмме влево от напряжения к току (рисунок 2.16, б, а на векторной диаграмме - походу часовой стрелки оттока к напряжению U (рисунок 2.15, б. Итак, следует всегда помнить, что угол φ положителен при отстающем и отрицателен при опережающем токе На временной диаграмме угол отсчитывается от напряжения к току, а на векторной диаграмме - оттока к напряжению. Ток совпадает с напряжением по фазе прите. при равенстве индуктивного и емкостного сопротивлений. Такой режим работы электрической цепи называется резонансом напряжений (гл. 7). Из выражений (2.16) и (2.17) следует, что активное и реактивное сопротивления цепи связаны с полным сопротивлением формулами R = zcosφ; x = zsinφ. (2.18) Умножив правые и левые части выражений (2.18) на действующее значение тока I, получим действующие значения напряжений на активном и реактивном сопротивлениях, изображаемые катетами треугольника напряжений и называемые активной и реактивной составляющими напряжения = RI = zcosjI = Ucosj, Up = XI = zsinjI = Usinj. (2.19) Мгновенные значения напряжений на активном и реактивном сопротивлениях, суммирующиеся алгебраически в соответствии с (2.15), имеют фазовый сдвиг π/2. Поэтому непосредственное сложение действующих значений этих функций не дает действующего значения напряжения на всей цепи как видно из треугольника напряжений и уравнений (2.19), активная и реактивная составляющие напряжения связаны с действующим значением суммарного напряжения формуло Если все стороны треугольника напряжений разделить на I, то получится прямоугольный треугольник сопротивлений, подобный треугольнику напряжений (рисунок 2.17, а, б. Треугольник сопротивлений представляет геометрическую интерпретацию уравнений (2.16) и (2.17). Его положение не зависит от начальных фаз напряжения и и тока i: сопротивление R откладывается по горизонтальной оси вправо (в положительном направлении, а реактивное сопротивление X в зависимости от его знака откладывается вверх (X > 0) или вниз (X < 0). Угол φ в треугольнике сопротивлений отсчитывается от катета R к гипотенузе z, что соответствует отсчету в треугольнике напряжений от а = RI к U = zI. Для характеристики индуктивных катушек, представляемых цепью с последовательным соединением активного и индуктивного сопротивлений, пользуются понятием добротности катушки QL = XL/R, которое равнозначно тангенсу угла сдвига фаз j для катушки. Чем меньше сопротивление R, тем выше при прочих равных условиях добротность катушки. 21. Двополюсники. Векторні діаграми RC, LC, RL- паралельних двополюсників. Двухполюсником называется часть электрической цепи любой сложности и произвольной конфигурации, выделенная относительно двух зажимов (двух полюсов. Двухполюсник, не содержащий источников энергии или содержащий скомпенсированные источники суммарное действие которых равно нулю, называется пассивным. Если в схеме двухполюсника имеются нескомпенсированные источники, он называется активным. На схеме двухполюсник обозначают прямоугольником с двумя выводами (рис. 1.14). Это обозначение можно условно рассматривать как коробку, внутри которой находится электрическая цепь. Розгалужені електричні кола змінного струму (лекція 5). При паралельному з’єднанні вхідна напруга є спільною дляусіх віток кола. Струми у вітках такого з’єднання звичайно визначають за законом Ома, а струм у нерозгалуженій частині запершим законом Кірхгофа чи за законом Ома. Зазначимо, що для розрахунку струму у нерозгалуженій частині паралельного з’єднання за законом Ома, його попередньо необхідно перетворити у найпростіше еквівалентне коло. Розглянемо коло (риса) з паралельним з’єднанням n резисторів, nіндуктивностей та n ємностей, яке підключене до джерела синусоїдної напруги Запершим законом Кірхгофа комплекс струму у нерозгалуженій частині такого кола буде Векторна діаграма кола наведена на риса. При її побудові умовно прийнято, що – З аналізу діаграми випливає, що вихідне коло може бути приведено до вигляду, як на рис. 2.22, б, а векторна діаграма – до прямокутного трикутника струмів, як на рис. 2.23, б. У перетвореному колі: , , З аналізу рівнянь розрахунків результуючих активного і реактивних опорів випливає, що при паралельному з’єднанні n резисторів та n індуктивностей результуючий активний опір та результуюча індуктивність за своїми чисельними значеннями будуть менше найменшого з опорів та менше меншої з індуктивностей, що включені у вітки з’єднання. При цьому результуюча ємність з’єднання дорівнює сумі ємностей у вітках кола. На векторній діаграмі спрощеного кола, один з катетів трикутника струмів є пропорційним комплексу активного струму: , другий – комплексу результуючого реактивного струму: , а гіпотенуза – комплексу повного струму кола. З одержаного трикутника струмів випливають такі співвідношення , де для вихідного кола – I ak = U/r k , I Lk = U/x Lk , I Ck = U/x Ck ; для спрощеного кола – I a = U/r, I L = U/x L , I Ck = U/x C ; В результаті ділення кожної зі сторін трикутника струмів на величину напруги отримуємо прямокутний трикутник провідностей (рис. 2.24). Як бачимо, на відміну від кіл постійного струму, де є тільки один вид провідності, уколах змінного струму мають місце повна y, активна g і реактивна b = b L - С, (індуктивна –b L та ємнісна – С) провідності. Їх, як і провідність уколах постійного струму, вимірюють у сименсах, 1 См = 1 Ом -1 Для вихідного (спрощеного) кола з трикутника провідностей можна записати такі співвідношення: або у комплексній формі – Це означає, що вихідне (перетворене) коло може бути зведено до найпростішого еквівалентного, як на рис. 2.22, в. З використанням співвідношень, які були отримані у попередньому розділі для трикутника опорів – , одержимо загальні вирази провідностей через опори і навпаки: , Величини, які входять у ці вирази, можуть бути віднесені, як до окремих віток з активно- реактивним навантаженням, так і до кола в цілому. Звернемо увагу, що для вихідного кола, де у кожній вітці є тільки активні чи реактивні опори, маємо особливий випадок, коли Раніше було зазначено, що після одержання еквівалентного кола повний струм (комплекс повного струму) кола, як і струми у вітках з’єднання, може бути визначений за законом Ома. Це можна зробити з використанням повного опору z (комплексу повного опору Z) або повної провідності Y = 1/Z (комплексу повної провідності Y = 1/Z)еквівалентного кола , або у комплексній формі У вітках вихідного кола, які містять тільки резистині елементи, кут зсуву фаз між струмом вітки і прикладеною напругою дорівнює 0°. В вітках, які містять тільки індуктивності j = 90°, а там, де є тільки ємності, j = - 90 ° . Кут зсуву фаз між струмом і напругою кола можна визначити так З аналізу цього рівняння випливає, що при b L = С (тоді I L = С) кут зсуву фаз між струмом і напругою кола дорівнюватиме нулю і векторна діаграма буде мати вигляд як на рис. 2.25. За таких умов, ділянки з’єднання, які містять L та C елементи, утворюють відомий з курсу фізики коливальний контура коло веде себе як таке, що містить виключно активні елементи. Це явище отримало назву резонанс струмів. На відміну від резонансу напруг резонанс струмів – явище, що є безпечним для електричної установки, оскільки утворити великі небезпечні реактивні струми, які в окремих вітках кола можуть значно перебільшувати загальний струм кола, можна тільки при приєднанні потужних реактивних котушок та батареї конденсаторів. Тому, явище резонансу струмів широко використовують в радіотехніці, а режим, наближений до резонансу, - у промисловості для компенсації струмів намагнічування двигунів. Активна, реактивна та повна потужності вихідного з’єднання можуть бути визначені за формулами відповідно: ; ; У комплексній формі – 22. Випрямлячі. Схеми, робота, параметри. Для чого потрібні випрямлячі Як відомо, електрична енергія виробляється, розподіляється та споживається переважно у вигляді енергії змінного струму. Так зручніше. Проте споживачі електричної енергії є різні. Для споживачів змінного струму (асинхронних та синхронних електричних двигунів, трансформаторів, люмінесцентних ламп) важливо, щоб споживаний ними струм був знакозмінним (найкраще – синусоїдальним). Частота зміни знаку струму стандартизована (в Україні – 50 Гц. Інші споживачі потребують, щоб струм був одного знаку. До таких належать електричні двигуни постійного струму, акумуляторні батареї під час їх заряду, гальванічні та електролізні ванни, зварювальні установки, електронні мікросхеми тощо). Їх називають споживачами постійного струму. Випрямляч – напівпровідниковий перетворювач енергії, призначений для перетворення електричної енергії змінного струму на енергію постійного струму. Потреба у використанні випрямляча виникає тоді, коли для живлення споживача постійного струму необхідно використати енергію з джерела змінного струму (наприклад, промислової або побутової мережі змінного струму). У такому випадку випрямляч вмикають між джерелом змінного струму та споживачем постійного струму. Випрямлячі широко використовуються в блоках живлення комп’ютерів, агрегатах безперебійного живлення, зарядних пристроях для мобільних телефонів та ноутбуків, на перетворювальних підстанціях електричного транспорту, в електроприводах постійного струму, різноманітних електронних схемах. Які бувають випрямлячі Якщо завданням випрямляча є лише перетворення роду струму (випрямлення), їх будують на основі некерованих вентилів (діодів). У випадку, коли на випрямляч покладено також регулювання рівня напруги, подаваної до споживача, необхідно використання керованих вентилів (тиристорів). Такого регулювання вимагає, наприклад, електричний двигун постійного струму для зміни швидкості обертання. Залежно від кількості фаз живильної мережі розрізняють однофазні випрямлячі та трифазні. За рівнем потужності випрямлячі поділяють на малопотужні (випрямлячі сигналів) та потужні або силові. Вентилі Сучасні вентилі є звичайно напівпровідниковими (малопотужні – на основі кристалів германію, більш потужні – кремнієві). Не вдаючись у подробиці їх внутрішньої побудови та фізичних принципів функціонування, розглянемо лише споживчі властивості. Найпростіший з вентилів (діод) є некерованим. Він має два виводи (анод А та катод К, див.рис. 1) та може проводити струм лише водному напряму – від аноду до катоду. Якщо до аноду прикласти позитивний потенціал, а до катоду – від’ємний (як на риса, діод буде відкритий та ним протикатиме струм. Якщо поміняти напрям вмикання діода (як на рис. б) або джерела живлення U, діод буде закритий та струм буде відсутній. Будемо вважати, що діод – ідеальний вентиль (тобто його внутрішній опір у відкритому стані дорівнює нулю, ау закритому – безкінечності). Графічне позначення діода на електричних схемах схоже на стрілку, яка показує єдиний можливий напрямок протікання струму. Аби відрізнити на схемі один діод від інших, поряд із їх графічним позначенням пишуть букви VD та поточний номер діода (наприклад, VD1). Рис. 1. Способи вмикання діода (а – прямий, б – зворотній) Тиристор є вентилем керованим. Окрім анода та катода, він має третій вивід (керуючий електрод КЕ на рис. 2). Він також проводить струм лише водному напрямку (від анода до катода. Для його відкривання необхідно виконати дві умови: подати до анода позитивний потенціал відносно катода (як для діода); забезпечити протікання в колі між керуючим електродом та катодом струму керування i k , направленого як на риса. Рис. 2. Два стани тиристора (а – відкритий та б – закритий) Для забезпечення протікання струму керування використовують додаткове джерело напруги керування u k . Величина струму керування набагато менша від струму між анодом та катодом (тобто силового струму). Якщо коло керуючого електрода розімкнути (як на рис. б, струм керування буде відсутній, і тиристор не відкриється. Графічне позначення тиристора подібне до позначення діода, проте має третій вивід КЕ. Нумерацію тиристорів на схемах здійснюють із використанням букв VS. Завдяки наявності керуючого електрода тиристор стає керованим вентилем. Він відкриється лише тоді, коли буде виконано не лише першу умову його відкривання, ай другу. Тому струм керування можуть подавати не одразу після виконання першої умови, а дещо пізніше. Цей струм подається від спеціальної системи керування. Надалі мине будемо зображувати коло, яким протікає струм керування. Тиристор має одну особливість: він відкривається за допомогою керуючого електрода, проте закривається лише тоді, коли струм між анодом та катодом зникне. Домогтися цього за допомогою керуючого електрода неможливо. Тому тиристор іноді називають напівкерованим вентилем. Конструкція діодів малої потужності показана на рис. 3. У верхнього діода (більш потужного за нижні) катод розташований з лівого боку. Знизу зображено діодний місток (про них нижче). Більш потужні діоди та тиристори зображено на рис. 4. Катод звичайно має різьбу, якою закріплюється на охолоджувачі, анод – гнучкий вивід. Охолоджувачі (рис. 5), відводячи тепло від вентиля, запобігають їх перегріванню. Найбільш потужні прилади мають таблеткову конструкцію (див.нижню частину рис. 4), яка забезпечує відвід тепла назовні від обох торців (праворуч на рис. 5). Найпростіший випрямляч Випрямляч (риса) живиться від джерела знакозмінної (звичайно синусоїдальної) напруги u. Він складається лише з одного діода. Будемо вважати, що навантаження випрямляча – споживач із суто активним внутрішнім опором (R). Струм, який протікає навантаженням, та напруга, прикладена до нього, позначені на рис. б індексами d (від англ. Direct – постійний). Діод відкритий лише тоді, коли до анода прикладається позитивний потенціал (напруга джерела позитивна, перший півперіод на рис. б. Рис. 4. Потужні діоди та тиристори Рис. 5. Тиристори з охолоджувачами Рис. 3. Діоди Рис. 6. Процеси у найпростішому випрямлячі До навантаження через відкритий діод подається напруга від джерела. Струм, який протікає колом «джерело u – діод – навантаження» за чисто активного навантаження повторює за формою напругу: . Тому зі зниженням напруги до нуля зникає і струм, а діод закривається. На наступному півперіоді, коли напруга джерела від’ємна, струм відсутній, напруга на навантаженні дорівнює нулю. Після того, як напруга джерела знову стає позитивною, відкривається діод, і до навантаження знову прикладається напруга. Таким чином, завдяки випрямлячеві напруга на навантаженні (випрямлена напруга u d ) містить у собі лише позитивні півперіоди напруги живлення u, а випрямлений струм повторює за формою випрямлену напругу. У нижній частині рис. б зображена діаграма роботи діода (чорна лінія показує інтервали часу, коли діод відкритий). Мостовий випрямляч Щойно розглянута схема використовується лише для живлення споживачів малої потужності. Більш розповсюджена мостова схема (риса. Рис. 7. Мостовий випрямляч До її складу входять чотири діоди, які працюють попарно-почергово. На першому півперіоді живильної напруги (права клема джерела має позитивний потенціал) відкриті діоди VD1 та VD4, утворюється шлях протікання струму, зображений на рис. б. До навантаження прикладається позитивна напруга. На другому півперіоді відкриті VD2 та VD3, а струм протікає, як показано на рис. в (у навантаженні – у тому ж напрямку). До навантаження знову прикладена позитивна напруга. Випрямлені напруга та струм у часі змінюються згідно рис. г. Оскільки обидва півперіоди напруги живлення є робочими, середнє значення випрямленої напруги вдвічі більше порівняно зі схемою риса. Мостові діодні випрямлячі невеликої потужності випускають у вигляді т.з. «діодних містків» (знизу на рис. 3). Якщо потрібно не тільки формувати на навантаженні знакопостійну напругу, ай змінювати в разі потреби її середнє значення (для регулювання зварювального струму, швидкості електродвигуна), замість діодів у випрямлячах використовують тиристори (риса. Якщо тиристори отримують до кола керування керуючий струм одразу, коли напруга на їх анодах стає позитивною, тиристори працюють як діоді, і процеси в схемі нічим не відрізняються від розглянутих раніше. Якщо ж затримати подачу струму керування, відкривання тиристорів відбудеться пізніше (на рис. б – по закінченні часу затримки з. Доки тиристори закриті, струм відсутній, і напруга до навантаження не прикладається. З кривої випрямленої напруги «вирізається» певна ділянка, і середнє цієї значення напруги зменшується. Збільшення затримкиt з призводить до подальшого зменшення середньої випрямленої напруги. Рис. 8. Тиристорний мостовий випрямляч Тиристорні випрямлячі використовуються в електроприводах постійного струму для живлення обмоток якоря та збудження електродвигунів постійного струму. На рис. 9 показаний зовнішній вигляд подібного електропривода. Окрім суто випрямляча, до його складу входять мікропроцесорні системи керування тиристорами та швидкістю і моментом електричного двигуна, дисплей та пульт керування для діалогу з користувачем, а також додаткові елементи, які забезпечують функціонування електропривода. Випрямлячі великої потужності розташовуються в електричних шафах (рис. 10). 23. Стабілізатори напруги. Типи, принцип дії, особливості. 24.Коливальний контур. Параметри, їх взаємозв’язок. Види резонансів. Векторні діаграми. Явище резонансу можна спостерігати в будь-яких коливальних системах, у тому числі механічних і електричних. Електричний резонанс виникає при певних "умовах в електричних колах змінного струму, які мають індуктивності та ємності. Вивчення електричного резонансу необхідно, оскільки це явище широко використовується в техніці електрозв'язку, а в установках сильного струму, де його виникнення спеціально не передбачається, резонанс може виявитись небезпечним (можуть виникнути перенапруги і пробій ізоляції). |