Тема 17. Исследование цепей с выпрямителями

Несмотря на ряд ценных преимуществ переменного тока, в некоторых отраслях техники используют также постоянный электрический ток. Постоянный ток можно получить из переменного тока с помощью выпрямителей. Действие выпрямителя любой конструкции заключается в том, что он может проводить электрический ток только в одном направлении. Поэтому прошедший через выпрямитель переменный (синусоидальный) ток оказывается пульсирующим. С целью сглаживания пульсаций тока применяются фильтры, состоящие из конденсаторов и катушек индуктивностей (дросселей), включаемых после выпрямления тока и перед нагрузкой (Рис.1).

L др

U 1

С

U 2

Рис.1

Физическая сущность работы фильтра заключается в том, что при нарастании напряжения в первую четверть периода конденсатор заряжается и запасает энергию, а дроссель вследствие большой индуктивности препятствует увеличению силы тока. Когда же в следующую четверть периода напряжение убывает, то конденсатор, разряжаясь, поддерживает его, отдавая энергию. Дроссель же в это время снова препятствует убыванию силы тока в нагрузке. Таким образом, происходит сглаживание пульсаций.

Действие выпрямителя любой конструкции заключается в том, что он может проводить электрический ток только в одном направлении. Поэтому прошедший через выпрямитель переменный (синусоидальный) ток оказывается пульсирующим. Устройства, обладающие односторонней проводимостью, называются электрическими вентилями. Схема однополупериодного выпрямителя представлена на рис.2.

				VD 1
	u				R н

 

Рис.2

Вольтамперная характеристика идеального вентиля представляет собой отрезок – положительной полуоси тока (i) и отрезка (u) – отрицательной полуоси напряжения (обратное напряжение) (Рис.3).

Рис.3

При прямом напряжении на p-n переходе отклонение реальной характеристики (Рис.3) от идеальной связано с конечным сопротивлением, поэтому при одинаковом напряжении ток реального перехода будет меньше идеального. При обратном напряжении обратный ток реального перехода оказывается больше тока идеального перехода, и кроме того, значение обратного тока зависит от обратного напряжения, при достаточно больших обратных напряжениях в p-n переходе может произойти пробой.

Полупроводниковыми являются вещества с удельной проводимостью, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Ведущее место среди полупроводниковых материалов занимают кремний, германий и арсенид галлия. В основе большинства полупроводниковых диодов лежит контакт двух полупроводников с различным типом электропроводности, называемый p–n переходом. Необходимо отметить, что область p–n обеднена подвижными носителями заряда, так как любой, возникший в этой области или попавший в неё, подвижный заряд выталкивается из области перехода электрическим полем. В общем случае к p–n переходу может быть приложено как постоянное напряжение, определяющее рабочую точку на характеристике, так и переменное напряжение, амплитуда которого определяет перемещение. Между малыми амплитудами тока и напряжения существует линейная связь. В этом случае p–n переход на переменном токе характеризуется дифференциальным сопротивлением: . При прямом напряжении Rдиф мало и составляет единицы – сотни Ом, а при обратном напряжении – велико и составляет сотни и тысячи кОм.

Пример 1. Рассчитайте показания приборов и коэффициент пульсации в схеме однополупериодного выпрямления (Рис.4), при входном напряжении U = 7 В. Сопротивление нагрузки R указано в табл.1.

Таблица 1

вариант
R, Ом

 

							VD 1
	U							R

 

Рис.4

Расчетные формулы:

; ; ; ;

Пример 2. Постройте графики зависимости u = ƒ (t) для цепи (Рис.4) при напряжении питания U = 3,5 В, сопротивление нагрузки R = 1 кОм. Рассчитайте и определите по графику (Рис.6) амплитудное, среднее и действующее значения тока.

i, мА				i
				u, В
-5				u, В				ωt
		ωt

Пример 3. Рассчитайте коэффициент пульсации в цепи однополупериодного выпрямителя при входном напряжении U = 120 В и сопротивлении нагрузки R =500 Ом, вольтамперная характеристика диода близка к идеальной.

 

Пример 4. Какие токи покажут амперметры магнитоэлектрической и электромагнитной систем, если напряжение на входе однополупериодного выпрямителя равно U = 220 В, частота питающего напряжения ƒ = 50 Гц, сопротивление нагрузки R н= 1 кОм?

Ответы: а) 0,1 А; 0,16 А б) 1,6 А; 2,3 А в) 2,6 А; 1.5 А г) 0,7 А; 4,5 А.

Пример 5. Определите по графику вид тока, протекающего в цепи однополупериодного выпрямления, если вольтамперная характеристика имеет вид, представленный на рис.7. На вход выпрямителя подается синусоидальное напряжение u=ƒ(ωt).

	I	А			i
-100				u, В
			10	u, В					ωt
		ωt

Рис.7

Ответы

Тема 9

Пример 1

Ответ: 19745223 Гн^-1.

Пример 2

Ответ: 6972 А

Пример 3

Ответ: w ≈ 2400 витков

Пример 4

Ответ: w ≈ 1776 витков

Пример 5

Ответ: ≈ 337 витков

Пример 6

Ответ: ≈ 437 витков

Список литературы

1. Полещук В.И. Задачник по электротехнике и электронике: учеб.пособие для студ. сред. проф.образования. – 4-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2008. – 224 с.