Выпрямление переменного тока

Многие элементы различных радиотехнических устройств могут функционировать только на постоянном токе. К таким элементам относятся, радиолампы, транзисторы, тиристоры и т.п., которым для управления режимом работы, необходим постоянный ток, или ток близкий к постоянному. Постоянный или выпрямленный ток можно получить с помощью выпрямителей, приборов, которые проводят электрический ток только в одном направлении. К таким приборам относятся полупроводниковые диоды.

       Т - период колебаний.

а)                             б)

Рис. 14.5

 

Переменный ток - ток, амплитуда которого, как и его направление изменяется во времени по гармоническому закону. График переменного тока   представленна рис. 14.5 а.

Схема одно- и двухполупериодного выпрямления для удобства монтажа собрана в отдельном блоке. На лицевую панель блока выпрямления (БВ) вынесены монтажные клеммы. Переключение рода работы осуществляется с помощью перемычек, замыкающих соответствующие пронумерованные клеммы.

     Схема электрических соединений элементов расположенных внутри блока, показана нарис. 14.6.

Рис. 14. 6 Схема блокавыпрямления (БВ)

Д₁ и Д ₂ - полупроводниковые диоды; R - ограничивающее сопротивление (резистор); С - конденсатор.

 

Нарис. 14.7 показан внешний вид блока выпрямления, подключенного к источнику переменного тока и осциллографу.

С помощью монтажных проводов соберите электрическую схему согласно рис. 14.7, правильность соединений проверьте у преподавателя. Включите приборы в сеть. Специальной перемычкой замкните клеммы 1 и 2, при этом диод Д₁ будет перемкнут и на осциллограф будет подано переменное напряжение от сети. Клавишами "чувствительность" добейтесь положения, при котором сигнал не будет выходить за пределы экрана. Клавишей частота "грубо" и потенциометром "плавно'' синхронизуйте частоту генератора развертки с частотой сигнала, чтобы изображение на экране было устойчивым.

 

Рис. 14.7 Схема подключения блока выпрямления

 

На экране осциллографа Вы увидите синусоидальную кривую изменения напряжения в сети,рис. 14.8.

Рис. 14. 8 Осциллограмма переменного напряжения

 

Если теперь убрать перемычку 1-2, то в основной схеме включится диод Д_1. Такая схема называетсяоднополупериодной схемой выпрямления.

Судя по полученной осциллограмме(рис. 13.9) диод Д₁ не пропускает отрицательную составляющую переменного тока.

 

 

Рис. 14.9 Осциллограмма однополупериодного выпрямленного тока

 

На экране осциллографа может быть ситуация, когда однополупериодная схема дает ток отрицательной полярности. Это будет зависеть от того, как включен диод в блоке выпрямления, так как нарис. 6, или в обратном направлении.

Таким образом,однополупериодная схема выпрямления позволила нам из переменного тока, получить пульсирующий ток положительной полярности.

Соедините перемычкой точки 2-3 на блоке выпрямления. Электрическая схема однополупериодного выпрямления преобразуется в схему двухполупериодного выпрямления.

В этом случае осциллограммудвухполупериодного выпрямленного тока Вы увидите в виде пульсирующей кривой,представленной на рис. 14.10.

Для того чтобы сгладить пульсации тока и максимально приблизить выпрямленный ток к постоянному, применяют «сглаживающий» конденсатор определенной емкости "С", который подключают параллельно сопротивлению R перемычкой 4-5 (рис. 13.7). Теперь в схеме изображенной на рис. 13.6 подключены все элементы блока выпрямления.

Рис. 14.10 Процесс заряд-разряд конденсатора

 

В определенныйпромежуток времениt₁ (близкой по величине к 1/2T), конденсатор заряжается (см.рис. 13.10), затем, когда зарядное напряжение на конденсаторе начнет уменьшаться (t₂), конденсатор разряжается и «сглаживает» кривую тока.

На экране осциллографа Вы увидите осциллограмму выпрямленного тока со сглаженными пульсациями (рис. 14.11).

 

Рис. 14.11 Осциллограмма выпрямленного тока

 

У современных выпрямляющих устройств колебания тока не превышают сотых долей процента.

Получение фигур Лиссажу

 

 

Как Вы убедились, электронный луч осциллографа может прослежи­вать за всеми изменениями тока и напряжения в исследуемой электрической цепи. В случае, если этих сигналов несколько и они поступают на вход осциллографа одновременно, то луч осциллографа будет вычерчивать результирующую кривую. А сможет ли электронный луч сложить во времени два электрических периодических сигнала, которые имеют разную фазу колебаний, разную амплитуду, разную частоту и полярность?

Фигуры Лиссажу – это замкнутые траектории движения точки, выполняющей взаимно перпендикулярные гармонические колебания.

Траектория получается замкнутой кривой, если периоды взаимно перпендикулярных колебаний относятся как целые числа: 1/1; 1/2; 2/1; 5/7, и т.п.

      Если складываемые колебания представляют собой переменное электрическое напряжение, то результат их сложения можно наблюдать на электронном осциллографе. Эта возможность используется в данной работе.

      Чтобы фигура Лиссажу была замкнутой фигурой, застывшей на экране осциллографа, необходимо, чтобы нашелся интервал времени Dt, в течение которого полностью закончилось некоторое число полных колебаний как по оси X, так и по Y. Наименьшее значение такого интервала для значений периодов колебаний Т_x и Т_y – наименьшее кратное этих чисел.

Порядок выполнения работы:

Соберите электрическую схему согласнорис. 14.12 используя источник переменною тока, генератор звуковых колебаний с регулятором частоты и электронный осциллограф.

 

Рис. 14.12 Схема подключений приборов для получения фигур

Лиссажу

 

Правильность сборки схемы проверьте у преподавателя. Отключите развертку осциллографа. Включите в сеть генератор звука и источник переменного тока.

 Регулируя частоту тока на генераторе, получите на экране фигуры Лиссажу. Вид фигур Лиссажу показан на рис. 14.13.

Таким образом, в результате этой работы Вы изучили устройство электронно-лучевой трубки осциллографа, ознакомились с работой осциллографа, разобрались с принципом выпрямления переменного тока и, убедились в том, что устройство осциллографа позволяет получать результирующие значения сумм двух независимых электрических сигналов с различными параметрами.

Быстродействие современных осциллографов настолько велико, что позволяет изучать процессы, длительность которых достигает порядка 10 ^{-14 -15} с. Но в этом случае применяются электронно-лучевые трубки, способные хранить в памяти исследуемые процессы.

 

Рис. 14.13 Фигуры Лиссажу

Вопросы для самоконтроля

 

1. С какой целью из электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) откачивают воздух?

2. Как появляются электроны в ЭЛТ?

3. Что заставляет электроны двигаться по направлению к экрану?

4. Почему электронный пучок отклоняется электродами в ту или иную сторону?

5. Почему электроны не "прилипают" к положительно заряженной пластине?

6. Какая роль отводится генератору развертки в электронных ос­циллографах?

7. Поясните принцип действия делителя напряжения?

8. Что нужно сделать, чтобы изображение исследуемого сигнала было неподвижнымна экране?

Список рекомендуемой литературы

 

1. Ремизов, А.Н. Медицинская и биологическая физика: учеб. для вузов/ А.Н. Ремизов, А.Г. Максина, А.Я.  Потапенко– 9-е изд.- М.: Дрофа, 2010.-560 с.

2. Грабовский, Р.И. Курс физики: учебник для вузов/ Р.И. Грабовский.- 11-е, изд. перераб. М.: «Лань», 2009.

3. Физика и биофизика: учебник для студентов мед. вузов/ В.Ф. Антонов [и др.].– М.: ГОЭТАР-Медиа, 2008.

4. Физика и биофизика: практикум: учебное пособие для студентов мед. и фарм. вузов / В.Ф. Антонов [и др.].– М.: ГОЭТАР-Медиа, 2008.

 

 

Учебное издание