Лабораторная работа №1.«Исследование источников постоянного напряжения и тока» 5
Приложение 14.Теоретические сведения
жүктеу/скачать 3,73 Mb.
|
| Приложение 14.Теоретические сведения
Нелинейными электрическими цепями (НЭЦ) называются такие электрические цепи (ЭЦ), которые содержат хотя бы один нелинейный элемент (НЭ). В двухполюсном НЭ основной параметр (сопротивление, индуктивность, ёмкость) зависит от величины и полярности приложенного к нему напряжения, или тока, протекающего через него. Нелинейный резистивный элемент (НРЭ) характеризуется зависимостью тока от напряжения на его зажимах i(u), т.е. его вольтамперной характеристикой (ВАХ). НРЭ, обладающий односторонней проводимостью, называется электрическим вентилем. Односторонней проводимостью обладают медно-закисные, селеновые, германиевые, кремниевые и другие полупроводниковые вентили (диоды), электронные лампы всех типов и газонаполненные лампы (газотроны, тиратроны). Вчетырёхполюсном НЭ (электронной лампе, транзисторе, ОУ), основной характеристикой является зависимость выходного напряжения от величины и полярности входного напряжения (передаточная характеристика). Ниже будут рассмотрены различные НЭЦ с использованием полупроводниковых диодов и стабилитронов (выпрямители, ограничители мгновенных значений напряжений) и на базе операционных усилителей (компараторы). ВАХ полупроводникового диода (рис.П.14.1,а) можно приближённо заменить отрезками прямых линий (кусочно-линейная апроксимация) (рис. П.14.1,б, в). Рис. П.14.1. ВАХ полупроводникового диода (а), его кусочно-линейная аппроксимация ВАХ (б), ВАХ идеального вентиля (в), схема замещения полупроводникового диода (г). ВАХ рис.П.14.1,б соответствует схема замещения рис.П.14.1,г, состоящая из последовательного соединения идеального вентиля VD и сопротивления R. Под идеальным вентилем понимается такое двухполюсное устройство, сопротивление которого при положительном напряжении равно нулю, а при отрицательном – бесконечности. Его ВАХ представлена на рис.П.14.1,в. При уменьшении сопротивления R будет увеличиваться наклон (угол ) ВАХ (рис.П.14.1,б). При синусоидальной форме входного напряжения u1 = U1msint кривая тока i в цепи (рис.П.14.2,г) может быть получена графическим способом (рис.П.14.2,в). При положительных полуволнах входного напряжения вентиль VD пропускает ток, Рис. П.14.2. Схема однополупериодного выпрямителя (г), ВАХ диода (а), напряжение на входе (б) и выходе (в) выпрямителя. и напряжение на нагрузке u2 будет меньше входного напряжения на величину падения напряжения на открытом диоде. При отрицательных полуволнах входного напряжения u1, сопротивление вентиля VD практически равно бесконечности и ток в цепи i близок к нулю и, следовательно, напряжение на нагрузке u20. Таким образом, напряжение на нагрузке u2 будет иметь форму периодической последовательности полусинусоидальных импульсов (рис.П.14.2,в) и схема с диодом (рис.П.14.2,г) является однополупериодным выпрямителем. Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения параллельно сопротивлению нагрузки R подключается ёмкость С (рис.П.14.3,а), выполняющая роль сглаживающего электрического фильтра. Рис. П.14.3. Схема однополупериодного выпрямителя (а), график напряжения на входе u1 и выходе u2 (б), тока i в диоде (в). В установившемся режиме при положительных полуволнах входного напряжения в интервалах времени (t0-t1), (t2-t3) диод открыт, через него протекает ток, подзаряжающий ёмкость C и увеличивающий напряжение на ней. В моменты времени t1, t3 входное напряжение становится равным напряжению на ёмкости диод VD закрывается и она начинает разряжаться на сопротивление нагрузки R (рис.П.14.3,б). Разряд ёмкости происходит до того момента t0, t2, когда напряжение на диоде uд=u-uc снизится до нуля и вентиль снова начинает пропускать ток. Далее ёмкость снова начинает подзаряжаться и процесс повторяется. Чем больше ёмкость C и сопротивление R, тем меньше переменная составляющая напряжения (пульсация) на нагрузке. Нелинейные свойства ПП диодов можно использовать для построения на их основе различных схем ограничителей напряжения (рис.П.14.4,а,б,в). Рис.П.14.4. Схемы ограничителей напряжения на ПП диодах (а,б,в), передаточные характеристики (г,д,е), напряжения на входе и выходе (ж,з,и). Если амплитудное значение входного напряжения U1mне превышаетE1 и E2, то цепь (рис.П.14.5,а,б,в) работает в линейном режиме и выходное напряжение повторяет форму входного напряжения (рис.П.14.5,в). При увеличении входного напряжения u1 в схеме (рис.П.14.4,а) происходит ограничение выходного напряжения u2 снизу (рис.П.14.4,ж), в схеме (рис.П.14.4,б) - сверху (рис.П.14.4,з) и в схеме (рис.П.14.4,в) сверху и снизу (рис.П.14.4,и).В двухстороннем ограничителе (см. рис.П.14.4,в) напряжение на выходе u2 ни при каком значении входного напряжения u1 не может быть больше напряжения ограничителя. Рис. П.14.5. Передаточная характеристика двухстороннего ограничителя (а), напряжение на его входе (б) и выходе (в). С помощью двустороннего ограничителя (рис.П.14.4,в) напряжение гармонической формы можно преобразовать в напряжение трапецеидальной (рис.П.14.6,б) или близкой к прямоугольной форме. Чем больше амплитуда входного напряжения U1m, тем при прочих равных условиях форма выходного напряжения u2 ближе к прямоугольной (рис. П.14.6,в). Рис. П.14.6. Форма напряжения на выходе ограничителя u2 при различных амплитудах напряжения на его входе :U1mE (а), U1m>E (б), U1m>>E (в). Существенным недостатком ограничителей на ПП диодах (рис.П.14.4,а,б,в) является необходимость введения в них источников постоянного напряжения Е1, Е2, определяющих уровень ограничения. Используя стабилитроны, имеющие ВАХ (рис.П.14.7) и ПП диоды, можно построить схемы ограничителей без дополнительных источников напряжения (рис.П.14.8). |