Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Документ'
Объем вынесенного материала на урок(количество упражнений, заданий, фактов, понятий, законов. Является ли оптимальной нагрузка для данного класса, воз...полностью>>
'Программа'
Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики»Программа учебной дисциплины «Базовый курс восточного языка» для направления/специа...полностью>>
'Урок'
Оборудование: презентация Microsoft PowerPoint «Человек и культура», системный блок Intel Pentium(4) 512 МБ/70ГБ, манипулятор типа мышь Genius, мульти...полностью>>
'Конкурс'
Список работ, прошедших во второй тур краевого творческого конкурса идей логотипа Уполномоченного по правам ребенка в Красноярском крае № п/п Территор...полностью>>

Главная > Методические указания

Сохрани ссылку в одной из сетей:
Информация о документе
Дата добавления:
Размер:
Доступные форматы для скачивания:

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

3.1. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Объектом исследования в данной лабораторной работе является

однофазные последовательные RL и RC электрические цепи. С помо-

щью измерительных приборов амперметра, вольтметров и ваттметра

измеряются ток в цепи, напряжения в цепи и на каждом элементе, ак-

тивная мощность.

В данной работе используется реальная катушка индуктивности

(дроссель с регулируемым воздушным зазором), которая представлена

на рисунке 2.7 активным сопротивлением RL и идеальной катушкой ин-

дуктивности L c индуктивным сопротивлением XL = ωL.

Рис. 2.7. Схема замещения дросселя с регулируемым

воздушным зазором

Изменение напряжений на дросселе достигается изменением воз-

душного зазора в сердечнике.

По измеренным величинам необходимо рассчитать параметры эле-

ментов цепи и всей цепи переменного тока, построить векторные диа-

граммы и треугольники сопротивлений и мощностей.

25

3.2. СХЕМА ИССЛЕДУЕМОЙ R–L ЦЕПИ

На рис. 2.8 представлена электрическая схема соединения R–L с

измерительными приборами.

Рис. 2.8. Схема последовательной RL цепи

Для напряжений, представленных в виде векторов, второй закон

Кирхгофа имеет вид

U U U I Z L R , (2.10)

где U − приложенное напряжение сети;

Z − полное сопротивление цепи.

Падение напряжения на катушке индуктивности

L L U I Z . (2.11)

Падение напряжения на активном сопротивлении

U I R R . (2.12)

Вектор напряжения на реостате UR совпадает по фазе с вектором

тока, а вектор напряжения на катушке индуктивности UL опережает ток

на угол φL.

По измеренным, действующим значениям тока I, мощности P,

напряжений на отдельных участках U, UR, UL можно рассчитать пара-

метры всей цепи и ее отдельных элементов следующим образом:

определяем значение полного сопротивления всей цепи Z исходя

из показаний приборов

I

U

Z ; (2.13)

активное сопротивление всей цепи R0 найдем из формулы для

мощности

26

0

2P I R , (2.14)

получим

0 2 I

P

R ; (2.15)

активное сопротивление R определяется по показаниям амперметра

I и вольтметра UR

;

I

U

R R

(2.16)

активное сопротивление всей цепи R0 состоит из активного сопротив-

ления катушки индуктивности RL и активного сопротивления R

R R R 0 L , (2.17)

отсюда

R R R L 0 ; (2.18)

полное сопротивление катушки индуктивности ZL

I

U

Z L

L ; (2.19)

из формулы для полного сопротивления ZL

2 2

L L L Z R X (2.20)

определяется реактивное сопротивление XL

2 2

L L L X Z R ; (2.21)

индуктивность катушки L найдем из определения реактивного со-

противления индуктивности

XL = ω∙L = 2π∙fL, (2.22)

отсюда

f

Z R

f

X

L L L L

2 2

2 2

, (2.23)

где f = 50 Гц;

коэффициент мощности всей цепи

UI

P

cos , (2.24)

где угол φ показывает сдвиг фаз приложенного напряжения U к току I

в цепи;

сдвиг фаз на катушке индуктивности

27

cos .

L

L

L Z

R

(2.25)

Построение векторной диаграммы R–L цепи (рис. 2.9) проводят

в следующей последовательности:

1) в выбранном масштабе строится горизонтально вектор тока I,

который является общим для всех элементов цепи.

2) после этого необходимо построить в выбранном масштабе

вектора напряжений UR и UL под заданными углами сдвига фаз φR = 0

и φL, определенной по формуле 2.1.

3) вектор приложенного к цепи напряжения U находится как

геометрическая сумма этих векторов напряжений.

4) опуская перпендикуляр от конца вектора UL на горизонтальную

ось тока, графически можно найти составляющие напряжения UL; URL − па-

дение напряжения, приходящееся на активное сопротивление катушки

индуктивности L R ; UXL − падение напряжения, приходящееся на реак-

тивное сопротивление XL катушки индуктивности.

UXL

U

φ φL

I

UR URL

UL

Рис. 2.9. Векторная диаграмма RL цепи

3.3. ИССЛЕДУЕМАЯ R-C ЦЕПЬ

Схема электрической цепи представлена на рис. 2.10. Общая мето-

дика расчета в случае реального конденсатора аналогична методике

расчета цепи R–L.

Рассмотрим случай идеального конденсатора, т.е. конденсатор как

идеальный реактивный элемент. В этом случае напряжение на емкости

отстает от тока по фазе на 900.

28

Рис. 2.10. Схема последовательной RC цепи

По показаниям приборов можно рассчитать параметры цепи и ее

отдельных элементов:

полное сопротивление цепи

I

U

Z ; (2.26)

активное сопротивление цепи

I

U

R R

; (2.27)

реактивное сопротивление емкости

C 2 2

C

C

U

X Z R

I

; (2.28)

емкость конденсатора

C C X fX

C

2

1 1

, (2.29)

где f = 50 Гц;

коэффициент мощности цепи

UI

P

Z

R

cos . (2.31)

Построение векторной диаграммы (рис. 2.11) следует начинать

с вектора тока I. Затем в масштабе строятся векторы напряжений UR и

UC с учетом сдвига фаз φR = 0 и φC = − 900. Вектор приложенного к цепи

напряжения U находится как геометрическая сумма векторов UR и UC.

29

UC

U

-φ

UR I

Рис. 2.11. Векторная диаграмма RC цепи

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Изучить теоретическую часть, подготовить отчет и получить до-

пуск к выполнению лабораторной работы.

2. Ознакомится с оборудованием лабораторного стенда и измери-

тельными приборами.

3. Записать в таблицу 2.1 технические данные измерительных прибо-

ров, используемых при выполнении работы.

Таблица 2.1

Сведения об измерительных приборах

PA PV PVL PVC PVR PW

Наименование

прибора

Тип прибора

Система изме-

рительного

механизма

(наименование

и обозначение)

Предел

измерения

Класс

точности

Род тока

Цена деления

Абсолютная

погрешность

измерения

30

4.1. ИССЛЕДОВАНИЕ R–L ЦЕПИ

1. Собрать электрическую цепь по схеме рис. 2.8. Установить ручку регулятора входного напряжения ЛАТР в нулевое положение (т.е. повернуть по часовой стрелке до упора).

Собранную схему предъ-явить для проверки преподавателю.

2. После проверки схемы преподавателем включением тумблера SA1 подать напряжение на ЛАТР. Плавно вращая ручку регулятора ЛАТР против часовой стрелки, подать напряжение на собранную элек-трическую цепь ≈ 100 ÷ 150 В.

Измерение провести для двух случаев:

а) UL > UR;

б) UL < UR.

(Изменение напряжений достигается изменением сопротивления RL и индуктивности L дросселя в результате изменения воздушного зазора в сердечнике).

3. Измерить значения напряжений, тока и мощности и записать в таблицу 2.2.

4. По окончании измерений ручку регулятора ЛАТР повернуть до упора по часовой стрелке и отключить тумблер SA1.

4.2. ИССЛЕДОВАНИЕ R–C ЦЕПИ

1. Собрать схему по рис. 2.10. Установить ручку регулятора входного напряжения ЛАТР в нулевое положение (т.е. повернуть по ча-совой стрелке до упора). Собранную схему предъявить для проверки преподавателю.

2. После проверки схемы преподавателем включением тумблера SA1 подать напряжение на ЛАТР. Плавно вращая ручку регулятора ЛАТР против часовой стрелки, подать напряжение на собранную элек-трическую цепь ≈ 100 ÷ 150 В. Измерения провести для двух случаев:

а) UC > UR;

б) UC < UR.

Указанные соотношения достигаются изменением активного со-противления R.

3. Измеренные значения напряжений, тока и мощности записать в таблицу 2.2.

4. По окончании измерений ручку регулятора ЛАТР повернуть до упора по часовой стрелке и отключить тумблер SA1.

5. Результаты измерений необходимо предъявить преподавателю и по его указанию разобрать электрическую цепь и привести в порядок рабочее место.

31

Таблица 2.2

Измеренные величины

Характер цепи

P,

Bт

I1,

A

U1,

B

UL,

B

UR,

B

UC,

B

R-L

UR > UL

UR < UL

R-C

UR > UC

UR < UC

4.3. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

1. По измеренным действующим значениям тока I, мощности P и напряжений на отдельных участках UR, UL, UC рассчитать параметры R-L цепи по формулам (2.13–2.25) и параметры R−C цепи по формулам (2.26–2.31) и записать в таблицы 2.3 и 2.4. При числовых расчетах при-держиваться следующего порядка: искомую величину выражают фор-мулой, затем подставляют известные значения величин, записывают ре-зультат расчета (числовое значение искомой величины) и единицы из-мерения, промежуточные расчеты можно опускать.

Таблица 2.3

Вычисленные параметры RL цепи

Характер цепи

Z,

Ом

R1,

Ом

R,

Ом

ZL,,

Ом

RL,,

Ом

XL,,

Ом

L,

Гн

φ

φL

RL

UR>UL

URL

Таблица 2.4

Вычисленные параметры R−С цепи

Характер цепи

Z,

Ом

R,

Ом

XC,,

Ом

C,

Ф

cosφ

φ

RC

UR>UC

URC

32

2. Построить в масштабе векторные диаграммы для всех измере-ний, а также треугольники сопротивлений и мощностей для R−L и R−C цепи.

3. Оформить отчет в соответствии с методическими указаниями.

4. Ответить на контрольные вопросы и защитить выполненную лабораторную работу.

5. ВОПРОСЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И САМОКОНТРОЛЯ СТУДЕНТОВ

1. Что такое последовательная электрическая цепь?

2. Какие виды сопротивлений существуют в цепях переменного тока?

3. Что такое сдвиг фаз?

4. Чему равны индуктивное и емкостное сопротивления, и в каких единицах их измеряют?

5. Что такое коэффициент мощности?

6. Что такое полное сопротивление цепи, и чему оно равно в случае цепи R−L, R−C.

7. Записать закон Ома для действующих значений однофазной цепи переменного тока.

8. Что такое векторная диаграмма, как она строится для последова-тельной однофазной цепи переменного тока?

33

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.

РЕЗОНАНС НАПРЯЖЕНИЙ

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Экспериментально исследовать работу электрической цепи одно-

фазного синусоидального тока с последовательным соединением ка-

тушки индуктивности и емкости. Для этого необходимо:

1. Исследовать влияния величины индуктивности катушки на

электрические параметры цепи однофазного синусоидального напряже-

ния, содержащей последовательно соединенные катушки индуктивно-

сти и конденсатор.

2. Опытным путем определить условия возникновения в данной

цепи резонанса напряжения.

3. Построить векторные диаграммы и резонансные кривые при

последовательном соединении катушки и конденсатора.

2. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. РЕЗОНАНС НАПРЯЖЕНИЙ

Р е з о н а н с о м в электрических цепях называется режим работы

электрической цепи переменного тока, содержащей индуктивный и ем-

костный элементы, при котором разность фаз φ между напряжением и

током равна нулю (φ = 0).

Рассмотрим последовательное соединение элементов R, L и C

(рис.1). Такую цепь иногда называют п о с л е д о в а т е л ь н ы м к о л е -

б а т е л ь н ы м к о н т у р о м .

I

C L R

U

Рис. 3.1. Последовательный колебательный контур

Закон Ома для такой неразветвленной цепи имеет вид

34

2 2

( ) 2 1 2

L C ( )

U U U

I

Z R X X

R L

C

. (3.1)

Знаменатель данного выражения есть значение полного сопротив-

ления Z, которое зависит от частоты.

При определенных условиях р е а к т и в н а я составляющая полного

сопротивления X = XL XC становится равной нулю и полное сопротив-

ление Z становится минимальным

2 2

. min

1

(ω )

ω рез Z R L Z R

C

. (3.2)

Ток в цепи возрастает до максимального значения

рез. max

U

I I

R

, (3.3)

причем напряжение и ток совпадает по фазе (φ = 0).

Это явление в цепи с последовательным соединением RLC элемен-

тов получило название р е з о н а н с а н а п р я ж е н и й .

Условие, при котором возникает резонанс напряжений, записыва-

ется в виде

XL = XC , или

1

L

C

, (3.4)

где ω = ω0 – резонансная угловая частота.

Р е з о н а н с н а я ч а с т о т а ω0 определяется из условия

1

L

C

. (3.5)

Тогда

2

0

1

LC

или 0

1

LC

. (3.6)

Отсюда

1

2

f

LC

. (3.7)

Эта формула получила название ф о р м у л о й Т о м п с о н а .

Если сопротивления катушки и конденсатора становятся равными

при резонансе напряжений (3.4), то получается, что они полностью

компенсируют друг друга. Следовательно, будут равны и падения

напряжений на катушке и емкости

UL = UC. (3.8)

35

Напряжение на активном сопротивлении UR = IR = U, т.е. напряжение

на активном сопротивлении равно полному напряжению, приложенно-

му к цепи.

Векторная диаграмма такого случая приведена на рис. 3.2.

U = UR

UL

UC I

Рис. 3.2. Векторная диаграмма при резонансе напряжений

Энергетический процесс при резонансе напряжений можно рас-

сматривать как наложение двух процессов: необратимого процесса пре-

образования потребляемой от источника энергии в тепло, выделяемое

в активном сопротивлении цепи, и обратимого процесса, представляю-

щего собой колебания энергии внутри цепи: между магнитным полем

катушки и электрическим полем конденсатора. Первый процесс харак-

теризуется величиной активной мощности P = RI2, а второй – величи-

ной реактивной мощности QL = XLI2 = XCI2 = QC. Колебаний энергии

между источником питания и участком цепи, включающим катушку и

конденсатор, не происходит, и поэтому реактивная мощность всей цепи

равна Q = XI2 = 0.

2.2. СВОЙСТВА ЦЕПИ ПРИ РЕЗОНАНСЕ НАПРЯЖЕНИЙ

1. Общее сопротивление становится равным активному сопро-

тивлению, а значит, становится наименьшим.

2. Ток становится наибольшим и совпадает по фазе с напряжени-

ем

3. Угол сдвига фаз становится равным нулю и, значит, цепь при-

обретает чисто активный характер.

4. Напряжение на колебательном контуре, то есть на реактивных

элементах L и С, становится максимальным и может многократно пре-

вышать напряжение на активном сопротивлении.

Вывод: для получения максимального напряжения на колебатель-

ном контуре его необходимо ввести в состояние резонанса.

36

Колебательные контуры применяются в технике связи для выбора

необходимой частоты передачи и приёма сигнала. Например, радиопри-

ёмник принимает ту радиостанцию, частота которой соответствует ре-

зонансной частоте входного колебательного контура приёмника.

Из условий возникновения резонанса (3.4) следует, что практиче-

ски резонанс напряжений можно получить изменением:

1) если меняется ёмкость и становится равной

2

1

С

L

; (3.9)

2) если меняется индуктивность и становится равной

2

1

L

C

; (3.10)

3) если одновременно меняются L и C

1

L

C

; (3.11)

4) если меняется частота сети (частота вынужденных колебаний)

.

1

LC

(3.12)

2.3. ДОБРОТНОСТЬ КОНТУРА

Во сколько раз напряжение на катушке и конденсаторе может пре-

вышать напряжение на активном сопротивлении при резонансе?

Для оценки контура при резонансе вводится специальное понятие –

добротность контура. Кроме того, добротность контура – параметр, по-

казывающий, как долго в контуре могут сохраняться собственные коле-

бания.

Отношение напряжения на индуктивности или емкости к напряже-

нию на входе в режиме резонанса называется д о б р о т н о с т ь ю к о н -

т у р а

L C X X

Q

R R

. (3.13)

Чем меньше активное сопротивление, тем меньше потери, тем

больше добротность контура.

L L L X X I U

Q

R RI U

; (3.14)

C C C X X I U

Q

R RI U

. (3.15)

При XL >> R напряжения на индуктивной катушке и конденсаторе

при резонансе напряжений могут значительно превысить напряжение

37

источника, что опасно для изоляции катушки и конденсатора. В про-мышленных сетях резонанс напряжений является аварийным режимом, так как увеличение напряжения может привести к пробою цепи.

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

3.1. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В данной лабораторной работе исследуется цепь с последователь-ным соединением постоянного конденсатора и переменной индуктивно-сти. Изменение индуктивности в катушке осуществляется в результате изменения воздушного зазора в подвижном ферромагнитном сердечни-ке.

На рис. 3.3. изображена LC−цепь и схема замещения этой цепи.

Рис. 3.3. Схема цепи с конденсатором и катушки

с подвижным сердечником

Ток в такой цепи отстает по фазе от напряжения при XL > XC и опе-режает по фазе напряжение при XL < XC. При равенстве индуктивного XL и емкостного сопротивлений XC в цепи возникает резонанс напряжений.

Изменяя индуктивность катушки в LC−цепи необходимо снять по-казания измерительных приборов. По данным измерений рассчитать цепь и построить диаграмму, а также резонансные кривые.

3.2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Изучить теоретическую часть, подготовить отчет и получить допуск к выполнению лабораторной работы.

2. Ознакомиться с оборудованием лабораторного стенда и изме-рительными приборами.

3. Записать в таблицу 3.1 технические данные измерительных приборов, используемых при выполнении работы.

4. Собрать электрическую цепь по схеме (рис. 3.4).

38

5. Установить ручку регулятора входного напряжения ЛАТР в нулевое положение (т.е. повернуть по часовой стрелке до упора). Со-бранную схему предъявить для проверки преподавателю.

Таблица 3.1

Сведения об измерительных приборах

PA

PV

PVL

PVC

PVR

PW

Наименование прибора

Тип прибора

Система изме-рительного

механизма (наименование и обозначение)

Предел изме-рения

Класс точности

Род тока

Цена деления

Абсолютная погрешность измерения

Рис.3.4. Исследуемая LC–цепь

6. Установить максимально возможную индуктивность в цепи, для чего убрать воздушный зазор в сердечнике катушки.

39

7. Включением тумблера SA1 подать напряжение на ЛАТР.

Плавно вращая ручку регулятора ЛАТР, подать напряжение на собран-

ную электрическую цепь ≈ 20 ÷ 30 В.

8. Постепенно выдвигая сердечник дросселя, определить макси-

мальное значение тока Imax, после чего установить сердечник в исходное

состояние. При изменении индуктивности следить за показаниями ам-

перметра РА1, не допуская увеличения тока I1 б о л е е 1 А.

9. Медленно выдвигая сердечник, снять показания приборов для

трех точек до резонанса, резонанс и четырех точек после резонанса. Ин-

тервал между точками ΔI ≈ (Imax – 1)/3.

10. Измерить значения напряжений, тока и мощности и записать

в таблицу 3.2.

11. Проверить значение коэффициента мощности в цепи в точке

резонанса

1 1

cos

P

U I

. (3.16)

Это значение должно быть близко к единице. Если получена вели-

чина, существенно отличающаяся от 1, то это означает, что работа или

расчет cosφ выполнены неправильно.

12. По окончании измерений ручку регулятора ЛАТР повернуть

до упора по часовой стрелке и отключить тумблер SA1.

Таблица 3.2

Измеренные величины

п/п

Характер цепи

P,

Bт

I1,

A

U1,

B

UL,

B

UC,

B

1

UL > UC

2

3

4 UL = UC

5

UL < UC

6

7

3.3. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

1. Вычислить величины и записать в таблицу 3.3:

полное сопротивление цепи

1

1

U

Z

I

; (3.17)

40

полное сопротивление катушки индуктивности

1

L

L

U

Z

I

; (3.18)

активное сопротивление катушки, учитывающее потери энергии

в обмотке и стальном сердечнике катушки

2

1

L

P

R

I

; (3.19)

индуктивное сопротивление катушки

2 2

L L L X Z R ; (3.20)

индуктивность катушки

L X

L , (3.21)

где ω = 2πf и частота f = 50 Гц;

активная составляющая напряжения на катушке

R L L U R I ; (3.22)

индуктивная составляющая напряжения на катушке

L L U X I ; (3.23)

емкостное сопротивление

C

C

U

X

I

; (3.24)

емкость конденсатора

1

C

C

X

; (3.25)

коэффициента мощности

1 1

cos

P

U I

. (3.26)

2. Построить в общей системе координат зависимости I1 , UL, UC,

cosφ, Z как функции L.

3. Используя данные опыта и расчета, построить в масштабе век-

торные диаграммы напряжений и тока для трех случаев

XL > XC, XL = XC и XL < XC. (3.27)

4. Оформить отчет в соответствии с методическими указаниями.

5. Проанализировать кривые I1 , UL, UC, cosφ, Z как функции от L

и написать выводы по работе. Выводы должны отражать основную суть

физических процессов в цепи переменного тока с последовательным со-

единением разных по характеру элементов; содержать анализ вида кри-

41

вых (I1 , UL, UC, cosφ, Z) = f(L) и оценку значений указанных величин при резонансе напряжений.

6. Ответить на контрольные вопросы и защитить выполненную лабораторную работу.

Таблица 3.3

Вычисленные величины

п/п

Z,

Ом

ZL,

Ом

RL,

Ом

XL,

Ом

L,

mГн

URL,

В

UL,

В

XC,

Ом

C,

мкф

cosφ

1

2

3

4

5

4. ВОПРОСЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И САМОКОНТРОЛЯ СТУДЕНТОВ

1. Сформулируйте закон Ома для цепи переменного тока с по-следовательным соединением активного сопротивления, индуктивности и емкости.

2. В какой цепи и при каком условии наступает резонанс напря-жений?

3. Объясните энергетические процессы, протекающие в электри-ческой цепи при резонансе напряжений.

4. Объясните, почему при резонансе напряжений ток в цепи мак-симален? Почему сдвиг фаз φ равен нулю?

5. Как изменится резонансная частота в цепи с последователь-ным соединением r, L, C, если емкость увеличить в 4 раза?

6. На каком участке цепи (рис. 3.1) напряжение при резонансе равно напряжению источника питания?

7. Оцените величину коэффициента мощности при резонансе напряжений по сравнению с коэффициентом мощности до резонанса.

8. Каким электроизмерительным прибором можно определить состояние резонанса в неразветвленной цепи, если настройка в резонанс ведется при неизменном действующем значении входного напряжения?

9. К каким аварийным последствиям может привести резонанс напряжений в электрических цепях?

42

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4.

ОДНОФАЗНАЯ ЦЕПЬ С ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ СОЕДИНЕНИЕМ

ЭЛЕМЕНТОВ. РЕЗОНАНАС ТОКОВ

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Экспериментально исследовать работу электрической цепи одно-

фазного синусоидального тока с параллельным соединением элементов:

1) исследование влияния величины индуктивности катушки на

электрические параметры цепи однофазного синусоидального напряже-

ния с параллельным соединением элементов;

2) опытное определение условий возникновения в данной цепи

резонанса токов;

3) построить векторные диаграммы и резонансные кривые при

последовательном соединении катушки и конденсатора;

4) научиться вычислять параметры цепи и строить векторные

диаграммы цепи с параллельным соединением элементов.

2. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ ОДНОФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

На рис. 4.1 представлена электрическая цепь однофазного синусо-

идального напряжения с параллельным соединением двух приемников,

один их которых на схеме замещен последовательным соединением ре-

зистора и емкостного элемента, а второй – последовательным соедине-

нием резистора и индуктивного элемента.

Токи в приемниках определяются по закону Ома

1

1

U

I

Z

, 2

2

U

I

Z

, (4.1)

где U − действующее значение напряжения источника электрической

энергии;

I1, I2 – токи в параллельных ветвях цепи;

Z1, Z2 – полные сопротивления ветвей.

2 2

1 1 C Z R X , 2 2

2 2 L Z R X , (4.2)

где R1, XC – активное и емкостное сопротивление первой ветви;

R2, XL – активное и индуктивное сопротивление второй ветви.

Вектор тока источника электрической энергии равен сумме векто-

ров токов приемников

1 2 I I I . (4.3)

43

Рис. 4.1. Параллельная цепь переменного тока

При исследовании процессов в цепях с параллельным соединением

приемников вектор тока в каждой ветви условно представляют в виде

суммы векторов активной и реактивной составляющих тока. Вектор

а к т и в н о й с о с т а в л я ю щ е й т о к а Ia совпадает по направлению с

вектором напряжения U, а вектор р е а к т и в н о й с о с т а в л я ю щ е й Ip

перпендикулярен этому вектору (рис. 4.2).

φ

U

Ip

Ia

I

Рис. 4.2. Разложение тока на активную

и реактивную составляющие

Из треугольника токов (рис. 4.2) величины активной и реактивной

составляющих тока определяются

I I cos a ; I I sin p , (4.4)

где φ – угол сдвига фаз между напряжением и током.

44

На рис. 4.3 представлена векторная диаграмма напряжений и токов

для параллельной цепи переменного тока, приведенной на рис. 4.1.

U I

φ2

I1

I1a

I1p I2p

I2a

I2

φ

φ1

Рис. 4.3. Векторная диаграмма напряжений и токов

параллельной цепи переменного тока

Величины активной и реактивной составляющих токов приемника

1 1 1 cos a I I ; 1 1 1 sin p I I ; (4.5)

2 2 2 cos a I I ; 2 2 2 sin p I I , (4.6)

где φ1 и φ2 – углы сдвига фаз между вектором напряжения U и вектора-

ми токов I1 и I2.

Представление __________токов активными и реактивными составляющими

позволяет путем их сложения найти активную Ia и реактивную Ip со-

ставляющую тока источника и по ним определить ток источника I

a 1a 2a I I I ; p 1p 2 p I I I ; a p I I I . (4.7)

Из векторной диаграммы рис. 4.3 следует

a 1a 2a I I I ; p 2 p 1p I I I ; 2 2

a p I I I . (4.8)

Косинус угла сдвига фаз между вектором тока источника I и векто-

ром напряжения источника U определяется из выражения

cos a I

I

. (4.9)

Иногда при расчетах параллельных цепей переменного тока ис-

пользуют понятия п р о в о д и м о с т и . А к т и в н а я , р е а к т и в н а я

и п о л н а я п р о в о д и м о с т и связаны с активными и реактивными со-

противлениями этих же ветвей равенствами

45

2

R

g

Z

; 2

X

b

Z

;

1

Y

Z

. (4.10)

Полная проводимость всей ветви определяется выражением

2 2 2 2 ( ) L C Y g b g b b , (4.11)

где

1

N

K

K

g g ,

1

N

L LK

K

b b ,

1

N

C CK

K

b b – активная, индуктивная и ем-

костная проводимости всей электрической цепи, равные сумме всех ак-

тивных, индуктивных и емкостных проводимостей отдельных парал-

лельных ветвей;

bL – bC = b – реактивная проводимость всей электрической цепи.

Угол сдвига фаз между общим током цепи и напряжением источ-

ника питания

L C b b

arctg

g

. (4.12)

Активные и реактивные проводимости связаны с полной проводи-

мостью выражениями

g = Y∙cosφ; b = Y∙sinφ_____________. (4.13)

Величина общего тока, потребляемого участком цепи с параллель-

ным соединением активных, индуктивных и емкостных сопротивлений,

определяется выражением

I = UY, (4.14)

где U – напряжение на зажимах цепи;

Y – полная проводимость всей цепи.

2.2. РЕЗОНАНС ТОКОВ

В электрических цепях с параллельным соединением приемников,

содержащих индуктивные и емкостные элементы, может, при опреде-

ленных условиях, возникать явление резонанса токов. Р е з о н а н с о м

т о к о в называется режим, при котором ток источника электрической

энергии совпадает по фазе с напряжением источника, т.е. φ = 0.

Применительно к электрической цепи, изображенной на рис. 4.1:

sin 0 L C Q Q Q S ; 2 1 sin 0 p p p I I I I . (4.15)

Следовательно, условием резонанса токов является равенство нулю

реактивной мощности цепи и реактивной составляющей тока источника

электрической энергии.

Из условия резонанса токов следует, что

QL = QC, I1p = I2p. (4.16)

46

При резонансе токов коэффициент мощности цепи

cos 1 a P I

S I

. (4.17)

Ток в ветви с источником электрической энергии содержит только

активную составляющую, является минимальным по величине и может

оказаться значительно меньше токов в каждом из параллельно вклю-

ченных приемников

I = I1a + I2a = Ia = I min. (4.18)

2.3. ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ИДЕАЛЬНОЙ ЕМКОСТИ

И РЕАЛЬНОЙ КАТУШКИ ИНДУКТИВНОСТИ

Рассмотрим электрическую цепь параллельно соединенных иде-

альной емкости и реальной катушки индуктивности. В большинстве

случаев такие допущения делаются на практике (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Параллельная цепь однофазного переменного тока

Рассмотрим три возможных случая.

1. При bL > bC нагрузка имеет и н д у к т и в н ы й х а р а к т е р . Век-

тор общего тока I о т с т а е т по фазе от вектора напряжения U на угол φ

(рис. 4.5).

U

I I2

I1

φ

φ1

φ2

Рис. 4.5. Векторная диаграмма при bL > bC

47

Ток через конденсатор I1 = bC∙U. Ток через индуктивность I2 = bL∙U.

При этом ток через конденсатор по величине м е н ь ш е тока через

катушку индуктивности

I1 < I2. (4.19)

2. При bL < bC цепь имеет е м к о с т н о й х а р а к т е р . Вектор об-

щего тока I о п е р е ж а е т по фазе вектор напряжения U источника

на угол φ (рис. 4.3).

I1

U

I I2

φ

φ1

φ2

Рис. 4.6. Векторная диаграмма при bL < bC

Ток через конденсатор по величине б о л ь ш е тока через катушку

индуктивности

I1 > I2. (4.20)

3. Если bL = bC, в цепи наступает р е з о н а н с т о к о в , при кото-

ром сдвиг фаз между общим напряжением и общим током оказывается

равным нулю (рис. 4.7).

I1

U

I

I2

φ1

φ2

Рис. 4.7. Векторная диаграмма при bL = bC

48

Общее сопротивление цепи при резонансе резко увеличивается, а

общий ток I уменьшается и становится минимальным

2 2

L C I U Y U g b b U g . (4.21)

Таким образом, полное сопротивление цепи оказывается чисто ак-

тивным и очень высоким (g – малая величина, определяемая омическим

сопротивлением проводов катушки: Y = g).

Энергетический процесс при резонансе можно рассматривать как

наложение двух процессов: необратимого преобразования потребляе-

мой от источника энергии в тепло, выделяемое в активном сопротивле-

нии, и процесса, представляющего собой колебание энергии внутри це-

пи – между магнитным полем катушки индуктивности и электрическим

полем конденсатора. Первый процесс характеризуется величиной ак-

тивной мощности Р, а второй – величиной реактивной мощности

QL = QC. Колебания между источником и цепью не происходит:

Q = QL QC = 0.

Если активная проводимость катушки меньше ее индуктивной про-

водимости, то токи через катушку и конденсатор могут значительно

превышать общий ток I. Превышение токов I1 и I2 над общим током ха-

рактеризует параметр цепи, который называется к о э ф ф и ц и е н т о м

д о б р о т н о с т и

L C 1 2 b b I I

q

g g I I

. (4.22)

Резонансные явления очень широко применяются в электротехнике

и в радиотехнических устройствах. Электрические фильтры различных

электротехнических устройств являются также резонансными цепями.

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ

3.1. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В данной лабораторной работе исследуется цепь с параллельным

соединением постоянного конденсатора и переменной индуктивности.

Изменение индуктивности в катушке осуществляется в результате из-

менения воздушного зазора в подвижном ферромагнитном сердечнике.

Изменяя индуктивность катушки в LC–цепи, необходимо снять по-

казания измерительных приборов для трех случаев:

а) цепь имеет индуктивный характер (IL > IC);

б) резонанс (IL = IC);

в) цепь имеет емкостной характер (IL < IC).

По данным измерений рассчитать цепь и построить векторные диа-

граммы.

49

3.2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Изучить теоретическую часть, подготовить отчет и получить допуск к выполнению лабораторной работы.

2. Ознакомиться с оборудованием лабораторного стенда и изме-рительными приборами.

3. Записать в таблицу 4.1 технические данные измерительных приборов, используемых при выполнении работы.

Таблица 4.1

Сведения об измерительных приборах

PA1

PА2

PА3

PV

PW

Наименование прибора

Тип и номер прибора

Измерительный

механизма

Предел измерений

Класс

точности

Род тока

Цена деления прибора

Абсолютная погреш-ность измерения

4. Собрать электрическую цепь по схеме рис. 4.8. В качестве ам-перметров РА2 и РА3 использовать стрелочные измерительные приборы типа АСТ, ваттметр АСТД.

Рис. 4.8. Исследуемая LC–цепь

50

5. Подать напряжение с ЛАТР на электрическую схему, измерить

все токи, напряжение и мощность. Измерения проводятся отдельно для

трех случаев:

а) цепь имеет индуктивный характер (IL > IC);

а) резонанс (IL = IC);

а) цепь имеет емкостной характер (IL < IC).

Экспериментальные данные занести в таблицу 2.

Примечание. Изменение соотношения bL и bC (токов IL и IC) произ-

водится с помощью регулировки воздушного зазора катушки индуктив-

ности.

Варьируя индуктивностью, необходимо следить за показаниями

всех контрольно-измерительных приборов, не допуская их «зашкалива-

ния». В случае перегрузки переходите на более грубый предел измере-

ния или уменьшайте с помощью ЛАТР входное напряжение.

Таблица 4.2

Параметры исследуемой LC–цепи

Характер

цепи

Измерено Вычислено

U,

B

I,

A

IC,

A

IL,

A

P,

Вт

Y,

См

g,

См

b,

См

cosφ φ

bL,

См

L,

Гн

bC,

См

С,

Ф

bL > bC

bL = bC

bL < bC

4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Используя полученные экспериментальные данные, рассчитать па-

раметры цепи и занести полученные результаты в таблицу 4.2.

Формулы для расчета:

проводимости

1 I

Y

Z U

; (4.23)

P = UIcosφ; g = Ycosφ; b = Ysinφ; (4.24)

общий сдвиг фаз в цепи

51

L C b b b

arctg arctg

g g

; (4.25)

емкостная реактивная проводимость

1 C

C

C

I

b

X U

;

1

2 C X

fC

; f = 50 Гц; (4.26)

полное сопротивление катушки индуктивности

L

L

U

Z

I

; (4.27)

активное сопротивление катушки, учитывающее потери энергии в

обмотке и стальном сердечнике катушки

L 2

L

P

R

I

; (4.28)

индуктивное сопротивление катушки

2 2

L L L X Z R ; (4.29)

индуктивность катушки

L X

L , (4.30)

где ω = 2πf и частота f = 50 Гц;

индуктивная реактивная проводимость

2

2 2

1

L L L

L

X X I

b

Z U

. (4.31)

2. Для всех трех случаев из табл. 4.2 построить векторные диаграммы

токов и напряжений.

Векторные диаграммы построить по аналогии с рис. 4.3, для этого

воспользоваться формулами

1 1 1 cos a I I ; 1 1 1 sin p I I ; (4.32)

2 2 2 cos a I I ; 2 2 2 sin p I I , (4.33)

учитывая, что φ2 = −90° (идеальный конденсатор), сдвиг фаз на катушке

индуктивности (первой ветви)

1 cos L

L

R

Z

. (4.34)

a 1a 2a I I I ; p 2 p 1p I I I ; 2 2

a p I I I . (4.35)

52

5. ВОПРОСЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И САМОКОНТРОЛЯ СТУДЕНТОВ

1. Что такое параллельная цепь?

2. Что такое активная и реактивная составляющие тока?

3. Что такое полная, активная и реактивная проводимости?

4. Как выглядит векторная диаграмма для цепи с индуктивной, ем-костной нагрузкой и при резонансе токов?

5. Назовите условие резонанса в электрических цепях.

6. Каковы признаки явления резонанса в параллельной цепи?

7. Что такое добротность контура и способы ее измерения?

8. Что определяет добротность конденсатора и катушки индуктивно-сти?

9. Как получить резонанс параллельного колебательного контура на заданной частоте f рез?

53

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5.

СОЕДИНЕНИЕ ТРЕХФАЗНОЙ ЦЕПИ «ЗВЕЗДОЙ»

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование симметричных и несимметричных режимов работы трехфазной цепи при соединении нагрузки «звездой», определение со-отношений между линейными и фазными напряжениями при различных режимах работы, построение векторных диаграмм. Выяснение роли ну-левого провода в четырехпроводной системе трехфазного тока.

2. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Трехфазная электрическая цепь – это совокупность трех однофазных электрических цепей, в которых действуют ЭДС одинако-вой частоты, сдвинутые по фазе друг относительно друга и создаваемые общим источником электрической энергии.

Фаза – отдельная электрическая цепь, входящая в состав трехфаз-ной цепи, в которой может протекать один из токов трехфазной систе-мы. Фазными называют отдельные элементы этой цепи, например, фаз-ные обмотки трехфазного источника и др. Общепринятое обозначение фаз трехфазной цепи приведено в таблице 5.1.

Таблица 5.1

Обозначение фаз в трехфазных электрических цепях

Источник

Приемник

Фаза

Начало

Конец

Начало

Конец

А

А

X

a

x

В

В

Y

b

y

С

С

Z

c

z

Источник электрической энергии и потребитель соединяются при помощи линейных проводов.

Линейные провода – провода, соединяющие начала одно-именных фаз источника и приемника.

В трехфазной электрической цепи различают фазные и линейные токи и напряжения.

Фазное напряжение UФ – напряжение между началом и кон-цом фазы источника энергии или приемника.

Фазный ток IФ – ток в фазе трехфазной цепи.

Линейный ток I Л – ток в линейных проводах.

54

Л и н е й н о е н а п р я ж е н и е UЛ – напряжение между линейными

проводами или между началами разных фаз.

Если три фазы потребителя имеют одинаковые сопротивления

Za = Zb = Zc и сдвиг фаз φ в фазах одинаковый, то такой приемник (по-

требитель) называют с и м м е т р и ч н ы м (р а в н о м е р н ы м ). Если не

соблюдается хотя бы одно из условий равенства, то такой приемник

называют н е с и м м е т р и ч н ы м (неравномерным). В качестве примера

симметричной нагрузки можно назвать трехфазные трансформаторы,

трехфазные асинхронные двигатели и др. Несимметричной нагрузкой

является осветительная сеть.

Основными способами соединения фаз генератора и приемника яв-

ляются соединения звездой и треугольником. В данной лабораторной

работе исследуется трехфазная цепь соединения звездой.

2.2. СОЕДИНЕНИЕ ТРЕХФАЗНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЗВЕЗДОЙ

Соединение, при котором все концы фаз приемника или источника

соединены в один узел, а к началам фаз присоединяются линейные про-

вода, называют соединением звездой. Узел, в котором соединяются

концы фаз, называют нулевой или нейтральной точкой.

n

UAB

UBC

UCA

IA

IB

IC

I0

Ua Za

Zb

Zc

Ia

Ib

Ic

A

B

C

a

b

c

N

Рис. 5.1. Схема трехфазной цепи при соединении потребителя звездой

На рисунке 5.1 показано соединение звездой фаз приемника:

А-а, B-b, C-c – линейные провода;

55

точка N – нулевая (нейтральная) точка генератора, соответственно

точка n – нулевая (нейтральная) точка приемника, потребителя;

N-n – нулевой или нейтральный провод;

I0 – ток в нейтральном проводе (называют нулевым или нейтраль-

ным током);

Ua, Ub, Uc – фазные напряжения приемника (на рисунке 1 показано

только одно фазное напряжение – Ua);

Ia, Ib, Ic – фазные токи потребителя;

UAB, UBC, UCA – линейные напряжения;

IA, IB, IC – линейные токи;

Za, Zb, Zc – сопротивления фаз нагрузки.

Как видно из рис. 5.1, если потребители соединены в звезду с нуле-

вым проводом, то фазный ток равен линейному току

IФ = IЛ. (5.1)

Тогда ток в нулевом проводе

I0 = IA + IB + IC. (5.2)

Линейные напряжения равны разности фазных напряжений

UAB = Ua – Ub, (5.3)

UBC = Ub – Uc, (5.4)

UCA = Uc – Ua . (5.5)

Сложив левые и правые части равенств 5.3–5.5, получим:

UAB + UBC + UCA = 0. (5.6)

Соотношения (5.3–5.5) связывают фазные и линейные напряжения

при соединении трехфазных приемников звездой и используются для

определения значений этих напряжений. Они справедливы для любых

видов нагрузки.

2.3. СИММЕТРИЧНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ЧЕТЫРЕХПРОВОДНОЙ ТРЕХФАЗНОЙ ЦЕПИ

В случае симметричной нагрузки токи в фазах равны и определя-

ются по закону Ома

a

a

a

U

I

Z

; b

b

b

U

I

Z

; c

c

c

U

I

Z

. (5.7)

Углы сдвига фаз также будут равны и определяются для каждой

фазы

a

a

a

X

arctg

R

; b

b

b

X

arctg

R

; c

c

c

X

arctg

R

. (5.8)

Векторная диаграмма для случая симметричной нагрузки строится

следующим образом (рис. 5.2).

1. Выбираем масштаб напряжения MU = … В/см и тока MI = …А/см.

56

2. Откладываем в масштабе вектора фазных напряжений Ua, Ub,

Uc под __________углом 120º друг относительно друга.

3. Строим векторы фазных токов Ia, Ib, Ic, которые повернуты от-

носительно векторов соответствующих напряжений Ua, Ub, Uc на углы

сдвига фаз φа, φв, φс (на рис. 5.2 показан случай активно-индуктивной

нагрузки).

4. Строим векторы линейных напряжений UAB, UBC, UCA. Векторы

линейных напряжений UAB, UBC, UCA определяются по формулам

(5.3–5.5) и равны разности соответственных фазных напряжений.

Из рис. 5.2 видно, что звезда линейных напряжений опережает звезду

фазных напряжений на угол 30º.

Ia

Ib

Ic

Ua

Ub

Uc

Uc

Ub

Ua

UAB

UBC

UCA

120º

φа

φb

φc

30º

Рис. 5.2. Полярная векторная диаграмма для режима симметричной

нагрузки при соединении потребителей в звезду

Если произвести вычитание векторов фазных напряжений Ua, Ub,

Uc по способу параллелограмма, то векторная диаграмма симметричной

трехфазной системы будет выглядеть как равнобедренный треугольник

(рис. 5.3) и называется т о п о г р а ф и ч е с к о й векторной диаграммой.

57

C

Uc

A

B

UCA UAB

UBC

Ua

Ub

O

D 30º

Рис. 5.3. Топографическая векторная диаграмма для симметричной

нагрузки при соединении потребителей звездой

Из топографической векторной диаграммы можно получить соот-

ношение между фазными и линейными напряжениями при соединении

«звездой» в случае с и м м е т р и ч н о й н а г р у з к и . Для этого восстано-

вим перпендикуляр из середины вектора линейного напряжения UBC,

в результате получим прямоугольный треугольник OBD, из которого

следует следующее соотношение:

0 1 2BD OB cos30 ,

т.е.

1 3

cos30

2 2 Л Ф Ф U U U .

Отсюда

3 Л Ф U U. (5.9)

Запишем первый закон Кирхгофа для нулевого узла потребителя n

I0 = IA + IB + IC. (5.10)

В случае симметричной нагрузки ток в нейтральном проводе будет

равен нулю (это можно доказать сложив геометрически вектора фазных

токов Ia, Ib, Ic)

I0 = IA + IB + IC = 0. (5.11)

Если ток в нулевом проводе равен нулю, следовательно, нулевой

провод можно не ставить. Поэтому в случае симметричной нагрузки

иногда применяется т р е х п р о в о д н о е соединение звездой, т.е. соеди-

нение потребителей звездой без нулевого провода.

58

2.4. НЕСИММЕТРИЧНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ЧЕТЫРЕХПРОВОДНОЙ ТРЕХФАЗНОЙ ЦЕПИ

Если три фазы потребителя имеют разные сопротивления Za, Zb, Zc,

то фазные токи также будут неравны: IA ≠ IB ≠ IC. Токи могут быть не-

равными как по величине, так и по направлению. Ток в нулевом прово-

де в этом случае будет отличен от нуля и определяется по векторной

диаграмме (рис. 5.4) или аналитическим путем.

Ia

Ib

Ic

Ua

Uc Ub

Ib

Ic

I0

O

Рис. 5.4. Графический метод определения тока в нулевом проводе

при несимметричной нагрузке

Из рис. 5.4 видно, что ток в нулевом проводе I0 не равен нулю. Зна-

чит, возникает падение напряжение между нулевыми точками генерато-

ра и приемника UNn. Это напряжение называется н у л е в ы м н а п р я -

ж е н и е м . Нулевое напряжение позволяет сохранить равенство фазных

напряжений Ua, Ub, Uc в условиях неравенства фазных токов.

Нейтральный провод предотвращает возможность возникновения

явления «п е р е к о с а ф а з ». Это такое явление, когда в одних фазах

напряжение будет повышено, а в других – понижено. Это видно по век-

торной диаграмме напряжений при несимметричной нагрузке (рис. 5.5).

На этой диаграмме пунктирными линиями обозначены векторы

фазных напряжений при симметричной нагрузке. При несимметричной

нагрузке нулевая точка при отсутствии нулевого провода смещается

в точку О1. Напряжение между точками О и О1 и является нулевым

напряжением между нулевыми точками генератора и приемника UNn.

Из диаграммы видно, что фазные напряжения Ua, Ub, Uc изменились

59

и неодинаковы как по величине, так и по фазе. Это явление и называет-

ся п е р е к о с о м ф а з .

A

B C

UAB UCA

UBC

Ua

Ub

O1 O

Uc

UNn

Рис. 5.5. Векторная диаграмма напряжений

при несимметричной нагрузке

Перекос __________фаз является нежелательным явлением, так как приводит к

неодинаковой работе фазных потребителей трехфазной системы.

Например, в случае осветительной сети это может привести к тому, что

одни лампы дадут незначительную освещенность, а другие могут пере-

гореть из-за повышенного напряжения в фазе.

Для обеспечения симметричной системы напряжений во всех фазах

и независимой работе отдельных приемников в случае несимметричной

нагрузки используется схема звезда с нулевым проводом (рис. 5.1).

По технике безопасности на нулевой провод запрещается ставить вы-

ключатель, предохранитель. Эта мера применяется для устранения воз-

можности разрыва нулевого провода и, следовательно, возникновения

перекоса фаз.

2.5. КОРОТКОЕ ЗАМЫКАНИЕ ФАЗЫ ПРИЕМНИКА

К о р о т к о е з а м ы к а н и е ф а з ы п р и е м н и к а является частным

случаем неравномерной нагрузки фаз генератора. При наличии нулево-

го провода короткое замыкание любой фазы приводит к аварийной

ситуации, так как ток в этой фазе резко увеличивается.

Короткое замыкание одной из фаз приемника при отсутствии нуле-

вого провода не приводит к аварийной ситуации, так как линейные

60

напряжения сети прикладываются в этом случае к двум другим фазам

приемника.

B

A

C

О

UCA = Uc

UAB = − Ub

A

C

O

UBC

а б

ZA = 0

ZC ZB

а б

Рис. 5.6. Схема (а) и топографическая диаграмма

при коротком замыкании в фазе А (б)

При коротком замыкании одной из фаз, например фазы А, потенци-

ал точки А становится равным потенциалу точки О, тогда напряжение

фазы А будет равно нулю, т.е. Ua = 0. Следовательно, ток фазы А также

будет равен нулю: IA = 0 (рис. 5.6, а). Нулевая точка О потребителя при

этом смещается в точку А. Видно, что напряжения двух других фаз ста-

новятся равным линейным напряжениям Ub = –UAB, Uc = UCA, т.е. увели-

чиваются в √3 раз. Нулевое напряжение становится равным фазному

напряжению генератора UО = ЕА.

2.6. ОБРЫВ ЛИНЕЙНОГО ПРОВОДА

При обрыве линейного провода также нужно различать два случая.

При обрыве одного линейного провода в трехфазной трехпроводной це-

пи (т.е. без нулевого провода), например провода А (рис. 5.7, а), цепь

превращается в однофазную с последовательным соединением прием-

ников и подключенной к одному линейному напряжению, т.е.

UBC = Ub – Uc. При этом напряжения на фазах В и С распределяются

пропорционально их сопротивлениям Zb и Zc. Например, если Zb = Zc, то

Ub = Uc = 0,5 UBC (рис. 5.7, б). Нулевая точка О смещается вниз и делит

вектор UBC на две равные части.

Если произойдет обрыв одного линейного провода (перегорание

предохранителя в фазе, отключение фазы от сети и т.д.) в трехфазной

цепи с нулевым проводом, то это приведет к исчезновению тока и

напряжения в этой фазе. Напряжения на неповрежденных фазах не из-

менятся Ub = Uc = UФ. Так, например, при обрыве фазы А ток в этой фа-

61

зе становится равным нулю (IA = 0). Ток в нулевом проводе будет равен

I0 = (IB + IC).

В

С B

А

а б

О

ZC

ZА = ∞

ZВ

UCA UAB

A

C

O

UBC

Uc Uв

Uа

а б

Рис. 5.7. Схема (а) и топографическая векторная диаграмма

при обрыве линейного провода А (б)

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ

3.1. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В данной работе исследуется работа трехфазной цепи переменного

тока соединением «треугольник» при различных видах нагрузки. Изме-

няя характер нагрузки в фазе А, осуществить разные режимы работы

трехфазной цепи. По результатам измерений построить векторные диа-

граммы для всех режимов работы трехфазной цепи.

3.2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Подготовить отчет, изучить теоретическую часть и получить

допуск к выполнению лабораторной работы.

2. Ознакомиться с оборудованием лабораторного стенда и изме-

рительными приборами.

3. Записать в таблицу 5.2 технические данные измерительных

приборов, используемых при выполнении работы.

4. Собрать схему электрической цепи, показанной на рис. 5.8,

и представить для проверки преподавателю.

5. Подать напряжение на схему и включением ключей SA1, SA2,

SA3, расположенных на передней панели лабораторного стенда, со-

здать режимы нагрузки трехфазной цепи согласно таблице 5.3.

62

6. Измерить фазные токи по амперметрам РА1, РА2, РА3 и РАаb,

РАbc, РАса. Показания приборов каждого режима записать в таблицу 5.4.

7. Измерить с помощью мультиметра и записать в таблицу 5.4

фазные Ua, Ub, Uc и линейные напряжения UAB, UBC, UCA.

Таблица 5.2

Cведения об измерительных приборах

PA1 РА2 PА3 PAab PAbc PAca PV

Наименование прибо-

ра

Тип и номер прибора

Система измери-

тельного

механизма (наимено-

вание и обозначение)

Предел измерений

(номинальное значе-

ние)

Класс точности

Род тока

Цена деления прибо-

ра

Абсолютная погреш-

ность измерения

PAca

A

C

R1

R2

R3

C

R4

PAbc

SA3

SA1

SA2

B

PAab

N

PV V

A

A

A

Рис. 5.8. Схема исследуемой электрической цепи

63

Таблица 5.3

Положение переключателей

при разных режимах работы трехфазной цепи

п/п Тип нагрузки SA1 SA2 SA3

1 Симметричная активная нагрузка Вкл Выкл Вкл

2 Нагрузка в фазе «А» увеличена Вкл Выкл Выкл

3 В фазе «А» включен идеальный конденсатор Выкл Вкл Выкл

4 Нагрузка в фазе «А» выключена (обрыв линей-

ного провода) Выкл Выкл Выкл

5 В фазе «А» короткое замыкание. При этом со-

единить проводником начало и конец фазы

«А».

Примечание: При опыте короткого замыка-

ния категорически запрещается присоединять

нулевой провод

Вкл Выкл Вкл

Таблица 5.4

Измеренные и расчетные величины соединения звездой

п/п

Нагрузка

Нейт-

ральный

провод

Измеренные величины

Расчетные

величины

Ia,

А

Ib,

А

Ic,

А

IN,

А

Ua,

В

Ub,

В

Uc,

В

AB

a

U

U

BC

b

U

U

CA

c

U

U

1 Симметричная

активная

нагрузка

откл.

2 вкл.

3 Нагрузка в фазе

«А» увеличена

откл.

4 вкл.

5 В фазе «А»

включен кон-

денсатор

откл.

6 вкл.

7 Нагрузка в фазе

«А» отключена

откл.

8 вкл.

9 В фазе «А»

короткое замы-

кание

откл.

Линейное напряжение (измеряется с помощью мультиметра)

UAB = … В; UBC = … В; UCA = … В

64

3.3. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Рассчитать для всех режимов работы цепи отношения ли-

нейных и фазных токов и записать данные в таблицу 5.4. Убедиться,

что для симметричной нагрузке Uл = 3 UФ при включенном и отклю-

ченном нулевом проводе, а для несимметричной нагрузки только при

включенном нулевом проводе, т.е. с включением нулевого провода во

всех режимах фазные напряжения становятся одинаковыми.

2. Для каждого режима работы построить в масштабе вектор-

ные диаграммы.

3. Отве тить на контрольные вопросы.

4. Оформить отчет в соответствии с методическими указаниями

и предоставить для защиты преподавателю.

4. ВОПРОСЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И САМОКОНТРОЛЯ СТУДЕНТОВ

1. Нарисовать электрическую схему соединения трех однофазных

приемников «звездой», обозначить все токи и напряжения.

2. Какое соединение однофазных приемников электрической энергии

называют звездой?

3. Чем отличается симметричная нагрузка от несимметричной?

4. Какие два вида напряжений и токов различают в трехфазных це-

пях? Дать их определение.

5. Какие существуют соотношения между линейными и фазными

напряжениями при соединении приемников «звездой»?

6. Каковы соотношения между линейными и фазными напряжениями

при соединении приемников «звездой» в случае симметричной

нагрузки?

7. Докажите, что в трехфазной цепи при соединении потребителей

«звездой» сумма линейных напряжений всегда равна нулю.

8. Какова роль нулевого провода в четырехпроводной трехфазной

цепи?

9. Как определить силу тока в нулевом проводе, если известна сила

тока в каждой из фаз?

10. Объяснить построение векторных диаграмм при различных видах

нагрузки.

65

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6.

ТРЕХФАЗНАЯ ЦЕПЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

ПРИ СОЕДИНЕНИИ ПРИЕМНИКОВ «ТРЕУГОЛЬНИКОМ»

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование симметричных и несимметричных режимов работы

трехфазной цепи при соединении нагрузки «треугольником», определе-

ние соотношений между линейными и фазными токами при различных

режимах работы, построение векторных диаграмм.

2. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ

Трехфазный генератор обеспечивает симметричное напряжение со

сдвигом фаз 1200. Обмотки такого генератора обычно соединяются

«звездой». Приемники электроэнергии могут быть соединены как по

схеме «звезда», так и по схеме «треугольник». Рассмотрим схему вклю-

чения приемников «треугольником» (рис. 6.1).

с

Ibc

a

b

Iab

Ica

Zbc

Zab

Zca

UBC

UAB

UCA

Uab

IA

IB IC

A

B

C

Рис. 6.1. Соединение трехфазного генератора с нагрузкой

Соединение трёхфазной цепи переменного тока, при котором конец

первой фазы соединяется с началом второй, конец второй фазы с нача-

лом третьей и конец третьей фазы с началом первой, образуя замкнутый

треугольник, к вершинам которого подсоединяются линейные провода,

называется соединением типа «т р е у г о л ь н и к ».

66

В трехфазных электрических цепях различают линейные, фазные

напряжения и токи (рис. 6.1).

Провода, соединяющие генератор с потребителем, называются

л и н е й н ы м и . Токи, протекающие в них, обозначаются IA, IB, IC и

называются линейными.

Л и н е й н ы е н а п р я ж е н и я UЛ (напряжения между линейными

проводами) принято обозначать UАB, UBC, UCA. Они образуют симмет-

ричную систему векторов, при этом сумма линейных напряжений в ре-

жиме холостого хода равна нулю.

Из схемы, представленной на рис. 6.1 , видно, что при соединении

«треугольником» фазные напряжения UФ (напряжения между началом и

концом фаз) равны линейным напряжениям

UФ = UЛ. (6.1)

При подключении нагрузки появляются токи в фазах нагрузки

Iab, Ibc, Ica, которые называются ф а з н ы м и . Они могут быть найдены из

следующих соотношений:

ca

ca

ca

bc

bc

bc

ab

ab

ab Z

U

I

Z

U

I

Z

U

I , , . (6.2)

Условные положительные направления линейных и фазных напря-

жений, линейных и фазных токов показаны на рисунке 6.1 стрелками.

В соответствии с первым законом Кирхгофа алгебраическая сумма

токов в узле равна нулю. Поэтому, записав для узлов а, в, с первый за-

кон Кирхгофа (рис. 6.1), можно установить связь между линейными и

фазными токами:

IA = Iab − Ica; (6.3)

IB = Ibc − Iab,; (6.4)

IC = Iac − Ibc. (6.5)

Сложив эти равенства, получим:

IA + IB + IC = 0. (6.6)

Выражения 6.3–6.6 используются при расчетах трехфазной цепи

соединением «треугольником», а также для построения векторных диа-

грамм.

В случае, если нагрузка во всех фазах одинаковая

Zab= Zbc= Zca, (6.7)

то трехфазная система называется с и м м е т р и ч н о й . Токи в фазах бу-

дут равны по величине и сдвинуты по фазе на 1200 относительно друг

друга.

В е к т о р н а я т о п о г р а ф и ч е с к а я д и а г р а м м а симметричной

трехфазной системы будет выглядеть как равнобедренный треугольник

(рис. 6.2). Из неё можно получить соотношение между фазными и ли-

нейными токами при соединении «треугольником» в случае симмет-

67

ричной нагрузки. Для этого восстановим перпендикуляр из середины

вектора линейного тока IC, в результате получим прямоугольный тре-

угольник OBD, из которого следует следующее соотношение:

½ BC = OB.cos30 , т.е. ½ IЛ = IФ

.cos 30 = IФ

. 2

3

. (6.8)

Отсюда

IЛ = 3 IФ. (6.9)

C

Ica

A

B

IA IB

IC

Iab

Ibc

O

D 30º

Рис. 6.2. Топографическая векторная диаграмма

фазных и линейных токов

В случае несимметричной нагрузки (нагрузки в фазах неравные)

фазные токи в общем случае будут неодинаковыми

Iab Ibc Iса, (6.10)

и углы сдвига фаз ab, bc, сa тока относительно соответствующих

напряжений в общем случае также будут разными по величине.

При включении потребителей электроэнергии «треугольником» обеспе-

чивается полная н е з а в и с и м о с т ь р а б о т ы отдельных фаз друг от

друга, так как к фазам подводится непосредственно линейные напряже-

ния сети. В этом заключается преимущество соединения нагрузки «тре-

угольником» по сравнению со «звездой». Поэтому фазные токи зависят

только от величины нагрузки в фазе, и даже значительные изменения

тока в одной из фаз практически не влияют на напряжения и токи в дру-

гих фазах. Изменение нагрузки изменяет только ток данной фазы и ли-

нейные токи в двух прилежащих к данной фазе линейных проводах.

Также соединение нагрузки в «треугольник» и с к л ю ч а е т о п а с -

н о с т ь повышенных напряжений на фазах потребителя при обрыве од-

ного из линейных проводов. Например, при обрыве провода А фазы ав

68

и ас окажутся соединенными последовательно и на них будет подавать-

ся линейное напряжение UBC. Таким образом, на каждой из этих фаз бу-

дет действовать напряжение, равное половине линейного (если нагрузки

в фазах равны). Напряжение фазы вс и режим её работы останутся без

изменений.

Активная мощность трехфазного тока равна сумме мощностей

всех трех фаз, а именно

P = PA + PB + PC. (6.11)

При равномерной нагрузке фаз активная мощность трехфазной си-

стемы становится равной

P = 3PФ = 3UФ IФ cosφ, (6.12)

где PФ – активная мощность одной фазы, Вт;

UФ – фазное напряжение, В;

IФ – ток фазный, А;

cosφ – коэффициент мощности.

Пользуясь соотношением (6.9), можно выразить в формуле (6.12)

произведение UФ∙IФ через линейные значения напряжения и тока

Ф Ф Л Л U I U I

3

1 . (6.13)

Отсюда формула 6.11 может быть переписана в следующем виде:

cos 3 cos

3

1

3 Л Л Л Л P U I U I . (6.14)

В таком преобразованном виде формула широко применяется для

определения активной мощности, развиваемой трехфазным током при

равномерной нагрузке фаз.

Соответственно реактивная мощность трехфазной системы опреде-

ляется суммой

Q = QA + QB + QC, (6.15)

где QА, QВ, QС – реактивные мощности в фазах

QФ = UФ IФ sinφ. (6.16)

Полная мощность

2 2 S P Q . (6.17)

При равномерной (симметричной) нагрузке фаз эти формулы мож-

но выразить через линейные токи и напряжения:

Q = 3 UЛ IЛ sinφ; (6.18)

S = 3UЛIЛ. (6.19)

Измеряется активная мощность в Вт, реактивная – в ВАР, полная

мощность – в ВА.

69

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ

3.1. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В данной работе исследуется работа трехфазной цепи переменного тока соединением «треугольник» при различных видах нагрузки. Изме-няя характер нагрузки в фазе А, осуществить разные режимы работы трехфазной цепи. По результатам измерений построить векторные диа-граммы для всех режимов работы трехфазной цепи.

3.2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Подготовить отчет, изучить теоретическую часть и получить допуск к выполнению лабораторной работы.

2. Ознакомиться с оборудованием лабораторного стенда и изме-рительными приборами.

3. Записать в таблицу 6.1 технические данные измерительных приборов, используемых при выполнении работы.

Таблица 6.1

Сведения об измерительных приборах

PA1

РА2

PА3

PAab

PAbc

PAca

PV

Наименование

прибора

Тип прибора

Система измери-тельного

механизма (наиме-нование и обозна-чение)

Предел измерений

Класс точности

Род тока

Цена деления

Абсолютная по-грешность измере-ния

4. Собрать схему электрической цепи, показанной на рис. 6.3, и представить для проверки преподавателю.

70

PV

PAca

A

A

A

A

A

A

V

PA1

PA3

A

B

C

R1

R2

R3

C R4

PAab

PAbc

SA3

SA1

PA2 SA2

Рис. 6.3. Схема исследуемой электрической цепи

5. Включением ключей SA1, SA2, SA3, расположенных на перед-

ней панели лабораторного стенда, создать режимы нагрузки трехфазной

цепи согласно таблице 6.2.

Таблица 6.2

Положение переключателей при разных режимах

работы трехфазной цепи по схеме «треугольником»

п/п

Тип нагрузки SA1 SA2 SA3

1 Симметричная активная нагрузка

Вкл Выкл Вкл

2 Увеличенная нагрузка в фазе А

Вкл Выкл Выкл

3 Выключенная нагрузка в фазе А

Выкл Выкл Выкл

4 Обрыв линейного провода в фазе А

(убрать линейный провод в фазе А) Вкл Выкл Вкл

5 В фазе А включен идеальный конденсатор

(несимметричная емкостная нагрузка) Выкл Вкл Выкл

6. Измерить линейные токи с помощью амперметров РА1, РА2,

РА3 и фазные токи по амперметрам РАаb, РАbc, РАСА. Показания прибо-

ров каждого режима записать в таблицу 6.2.

71

7. Снять показания вольтметра PV и записать в таблицу 6.3 ли-

нейное напряжение UAB = UBC = UCA = . . .

Таблица 6.3

Измеренные величины

п/п

Характер

нагрузки

Измерения Вычисления

Линейные

токи

Фазные токи

IA,

А

IB,

А

IC,

А

Iab,

А

Ibc,

А

Ica,

А

ab

A

I

I

bc

B

I

I

ca

C

I

I

1 Симметричная

активная нагрузка

2 Увеличенная

нагрузка в фазе А

3 Выключенная

нагрузка в фазе А

4 Обрыв линейного

провода в фазе А

5 Емкостная

нагрузка в фазе А

UAB=UBC=UCA= … В

3.3. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Рассчитать для всех режимов работы цепи отношения линей-

ных и фазных токов и записать данные в таблицу. Убедиться, что при

симметричной нагрузке IЛ = 3 IФ и геометрическая сумма линейных то-

ков равна нулю.

2. Для каждого режима работы построить в масштабе векторные

диаграммы.

Векторная диаграмма строится следующим образом:

а) выбираем масштаб напряжения MU = … В/см и тока MI = …А/см;

б) откладываем в масштабе вектора фазных напряжений Uab, Ubc,

Uca под углом 120º друг относительно друга;

в) строим векторы фазных токов Iab, Ibc, Ica, которые повернуты

относительно векторов соответствующих напряжений Ua, Ub, Uc на углы

сдвига фаз φаb, φbc, φсa (при этом необходимо учитывать, что сдвиг фаз

на активном сопротивлении φR = 0°, на индуктивности φL = +90°, на ем-

кости φС = −90°).

Соединив концы фазных векторов, получим вектора линейных то-

ков IA, IB, IC в выбранном масштабе (это следует из формул 6.3–6.5).

Пример для случая симметричной активной нагрузки показан на

рис. 6.4. Остальные строятся аналогично.

72

Ica

IA IB

IC

Iab

Ibc

O

Uab

Uca Ubc

МU =…В/см

МI =…А/см

Рис. 6.4. Векторная диаграмма для случая симметричной

активной нагрузки

3. Ответить на контрольные вопросы.

4. Оформить отчет в соответствии с методическими указаниями

и предоставить для защиты преподавателю.

4. ВОПРОСЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И САМОКОНТРОЛЯ СТУДЕНТОВ

1. Нарисовать электрическую схему соединения трех однофазных

приемников «треугольником».

2. Какая нагрузка в трехфазной цепи называется симметричной и ка-

кая несимметричной?

3. Какие два вида напряжений и токов различают в трехфазных це-

пях? Дать их определение.

4. Каковы соотношения между линейными и фазными напряжениями

при соединении приемников «треугольником» (нагрузка симмет-

ричная и несимметричная)?

5. Докажите, что в трехфазной цепи при соединении потребителей

«треугольником» сумма линейных токов всегда равна нулю.

6. Почему при соединении «треугольником» нельзя осуществлять ре-

жим короткого замыкания в фазе приемника?

7. Каковы преимущества и недостатки соединения нагрузки «тре-

угольником»?

8. Объяснить построение векторных диаграмм при различных видах

нагрузки.

9. Чему равны активная, реактивная и полная мощности трехфазной

системы? В каких единицах они измеряются?

73

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7.

РЕЛАКСАЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ В RC-ЦЕПИ

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Экспериментально исследовать влияние параметров RC-цепи на характер переходного процесса:

1) исследовать работу RC–цепи при различных типах нагрузки и раз-ных режимах работы;

2) научиться применять электронный осциллограф для исследования и измерения быстропротекающих несинусоидальных напряжений и токов;

3) научиться экспериментально определять постоянную времени пе-реходного процесса.

2. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ

Релаксационные процессы в RC–цепи

Электромагнитные процессы, возникающие в электрической цепи при переходе от одного установившегося режима к другому, называют переходными.

Переходные процессы происходят не только при включении или отключении источника питания, но и при аварийных ситуациях, когда возникает обрыв или короткое замыкание части электрической цепи. В ряде электротехнических устройств переходные процессы являются основными процессами их работы, например в генераторах электриче-ских колебаний, системы зажигания в автомобилях и др.

Под релаксационным процессом в RC–цепях понимается процесс установления стационарного заряда конденсатора при подаче на него напряжения.

Для анализа процесса заряда конденсатора, рассмотрим элек-трическую цепь, показанную на рис. 7.1.

Рис. 7.1. RC–цепь

74

При замыкании ключа SA конденсатор начнет заряжаться током i.

По второму закону Кирхгофа имеем

R C C E U U iR U . (7.1)

Согласно классической теории решения дифференциальных урав-

нений переходное напряжение на конденсаторе может быть представле-

но в виде двух составляющих – установившейся и свободной

UC пер = UC уст + UC св. (7.2)

Установившееся напряжение следует найти при t → ∞, когда

напряжение на конденсаторе перестает изменяться, т.е. dUC/dt = 0. То-

гда согласно (7.1) имеем

UC уст = E. (7.3)

Выражение для свободной составляющей UCсв определяется решением

однородного дифференциального уравнения, полученного из формулы (7.1)

при равенстве левой части нулю. Учтем также, что i = C ∙dUC/dt, тогда

св

св 0 C

C

dU

RC U

dt

. (7.4)

Отсюда получим

св

св

C

C

dU dt

U RC

. (7.5)

Решение уравнения (7.5) для свободной составляющей напряжения

на конденсаторе имеет вид

св

t

RC

C U Ae . (7.6)

Величину τ = RC называют постоянной времени заряда RC–цепи,

т.к. она имеет размерность времени и характеризует длительность про-

текания переходного процесса.

С учетом найденных выражений UC уст и UC св переходное напряже-

ние на конденсаторе определяется выражением

пер

t

C U E Ae . (7.7)

Для определения постоянной интегрирования воспользуемся з а -

к о н о м к о м м у т а ц и и : до подключения конденсатора напряжение на

нем было равно нулю и не может измениться скачком в момент комму-

тации, т.е. UC(0) = UC(0+) = 0.

Для момента времени t = 0 уравнение (7.7) имеет вид

0 = E + A, т.е. А = − Е. (7.8)

Следовательно, выражение (6.7) примет вид

пер (1 )

t t

C U E E e E e . (7.9)

75

Это выражение и есть общее решение дифференциального уравнения

(7.1). Ток в цепи во время переходного процесса

пер

пер

(1 ) t t

C

C

dU d E e E

i С C e

dt dt R

. (7.10)

Графики изменения напряжения и тока при зарядке конденсатора

показаны на рис. 7.2.

а б

Рис. 7.2. Графики переходного процесса:

а – напряжения на конденсаторе; б – тока

Для анализа п р о ц е с с а р а з р я д а к о н д е н с а т о р а рассмотрим

цепь, приведенную на рис. 7.3. Конденсатор С предварительно заряжен

зарядом q.

Рис. 7.3. Схема разряда конденсатора

После замыкания ключа SA конденсатора начнет разряжаться то-

ком i, протекающим через резистор R. По второму закону Кирхгофа для

мгновенных значений напряжений имеем

UC + UR = UC + iR = 0. (7.11)

Используя известное соотношение, связывающее ток и напряжение

на конденсаторе i = CdUC/dt, уравнение (6.11) можно представить в виде

0 C

C

dU

U RC

dt

. (7.12)

76

Из этого уравнения получим

C

C

dU dt

U RC

. (7.13)

Получили дифференциальное уравнение для показательной функции.

Его решение имеет вид

t t

RC

C U Ae Ae , (7.14)

где τ = RC – постоянная времени RC-цепи при разряде конденсатора.

Постоянная интегрирования А может быть найдена из начальных

условий. Пусть до момента коммутации при t = 0 конденсатор был за-

ряжен до напряжения Е. На основании закона коммутации напряжение

на конденсаторе не может измениться скачком, т.е. UC(0) = UC(0+) = 0.

Для момента времени t = 0 выражение (6.14) имеет вид А = Е. Следова-

тельно, решением дифференциального уравнения (7.12) является выра-

жение

t

C U Ee . (7.15)

Ток в цепи при переходном процессе

1

t RC t t

C RC RC

dU d Ee E

i C C CE e e

dt dt RC R

. (7.16)

Графики изменения напряжения и тока при разряде конденсатора

показаны на рис. 7.4.

а б

Рис. 7.4. Графики изменения напряжения и тока

при разряде конденсатора

Из графиков видно, что за время t = τ величина напряжения или то-

ка изменяется в е раз.

При разряде конденсатора запасенная в нем энергия электрическо-

го поля преобразуется в теплоту, выделяющуюся на резисторе R.

77

Дифференцирующие и интегрирующие цепи

Используя процессы заряда и разряда конденсатора через резистор,

можно получить дифференцирующие и интегрирующие цепи, которые

нашли широкое применение в устройствах автоматики и вычислитель-

ной техники.

Рассмотрим работу электрической цепи, изображенной на рис. 7.5.

Рис. 7.5. Интегрирующая RC-цепь

При подаче напряжения Uвх на такую цепь по второму закону

Кирхгофа можно записать

вх R C C U U U iR U . (7.17)

Форма временных зависимостей напряжения определяется посто-

янной времени цепи τ. Рассмотрим случай τ >> Т, где Т – время пере-

ключения цепи.

Поскольку в этом случае время заряда конденсатора значительно

больше времени переключения, то за время переключения напряжение

на конденсаторе существенно не изменится и его можно приближенно

считать равным нулю. Напряжение на сопротивлении, как следует из

формулы (7.17), примерно равно Uвх и UR = RI >> UС. Тогда можем за-

писать Uвх = iR, откуда

вх U

i

R

. (7.18)

Из выражения i = CdUC/dt, получим

1

C вых U U idt A

С

. (7.19)

Подставим в формулу (7.19) значение тока из (7.18), получим

1 1 1 вх

вых вх вх

U

U dt U dt U dt

C R RC

. (7.20)

78

Будем считать, что постоянная составляющая напряжения на входе от-

сутствует, поэтому постоянная интегрирования А= 0.

Таким образом, для времен Т << τ = RC выходное напряжение

представляет интеграл от входного напряжения. Поэтому цепь, пока-

занная на рис. 7.5, называют интегрирующей.

Рассмотрим процессы, происходящие в цепи, изображенной на рис. 7.6.

Рис. 7.6. Дифференцирующая RC–цепь

По второму закону Кирхгофа

вх R C C U U U iR U . (7.21)

Для больших времен переходного процесса, когда конденсатор

успевает заряжаться до напряжений, близких Uвх, считаем, что UC >>

iR. Тогда из уравнения (7.17) следует, что

Uвх = UC. (7.22)

Отсюда находим ток в цепи

C вх dU dU

i C C

dt dt

. (7.23)

Так как выходное напряжение Uвых = iR, то окончательно имеем

вх вх

вых

dU dU

U RC

dt dt

. (7.24)

Пропорционально производной от входного напряжения при условии,

что длительность переходных процессов много больше постоянной

времени τ. Такая цепь называется дифференцирующей.

79

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

3.1. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Объектом исследования в данной лабораторной работе является интегрирующая и дифференцирующая цепи. Необходимо снять осцил-лограммы этих цепей. По полученным осциллограммам определить по-стоянную времени цепи.

3.2. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Принципиальная схема установки для исследования переходных процессов приведена на рис. 7.7.

Рис. 7.7. Электрическая схема для проведения исследований

Коммутация цепей заряда-разряда конденсатора С осуществляется с помощью электромагнитных герконовых реле KV1 и KV2. Напряжение управления, подаваемое на обмотки электромагнитного реле выпрямля-ется с помощью диодов VD1 и VD2. Положительная полуволна откры-вает диод VD2, срабатывает реле KV2 и замыкается контакт KV2.1. От-рицательная полуволна открывает диод VD1, срабатывает реле KV1 и замыкаются контакты KV1.1. Таким образом, контакты KV1.1 и KV2.1 замыкаются и размыкаются с частотой 50 Гц, но всегда находятся в

80

противоположном состоянии. Если KV1.1 замкнут, то KV2.1 разомкнут

и наоборот. Переключатель SA предназначен для получения дифферен-

цирующей (верхнее положение) или интегрирующей (нижнее положе-

ние) цепей.

Если переключатель SA находится в верхнем положении, то при замкну-

том состоянии контактов KV1.1 по цепи

+15 В→R1→KV1.1→SA→C→R5→Общ.

протекает ток и конденсатор С заряжается. При замыкании KV2.1 кон-

денсатор разряжается по цепи C→R5→KV2.1. Постоянная цепи разряда

τ = С∙R5. При переключении SA в нижнее положение цепи заряда-

разряда сохраняются, но исследуемая цепь из дифференцирующей пре-

вращается в интегрирующую. Эпюры напряжений на резисторе R5 и

конденсаторе С можно наблюдать, подключив осциллограф к контактам

16.

3.3. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

1. Изучить теоретическую часть, подготовить отчет и получить до-

пуск к выполнению лабораторной работы.

2. Ознакомиться с измерительными приборами и оборудованием, ис-

следуемой схемой установки

3.3.1. ДИФФЕРЕНЦИРУЮЩАЯ ЦЕПЬ

1. Переключатель SA установите в верхнее положение.

2. Включите установку и осциллограф.

3. Общий вход осциллографа подключите к контактам 1 или 2,

а потенциальный вход осциллографа к контакту 4.

4. Изменяя чувствительность осциллографа и частоту развертки,

а также синхронизацию, установите на экране осциллографа стабиль-

ную картинку, соответствующую рис. 7.8.

ms

U

АК

I

А

0 20 40 60 80

B

0,2

0,4

0,6

0,8

Е

Рис. 7.8. Осциллограмма дифференцирующей цепи

81

5. Используя калиброванную развертку осциллографа для 8–10

значений времени t по осциллограмме измерить напряжение на конден-

саторе UC и записать в таблицу 7.1.

Таблица 7.1

Измеренные напряжения на конденсаторе

для дифференцирующей цепи

Параметр Измеренные значения

t, сек

UC, В

Расчетные значения

UC/E

ln C U

E

6. Зарисовать осциллограмму наблюдаемого напряжения, про-

ставив по осям У и Х значения напряжения и времени (аналогично

рис. 7.8).

3.3.2. ИНТЕГРИРУЮЩАЯ ЦЕПЬ

1. Переключатель SA установите в нижнее положение.

2. Общий вход осциллографа подключите к контактам 1 или 2,

а потенциальный вход осциллографа к контакту 4.

3. Изменяя чувствительность осциллографа и частоту развертки,

а также синхронизацию, установите на экране осциллографа стабиль-

ную картинку, соответствующую рис. 7.9.

ms

U

АК

I

А

0 20 40 60 80

B

0,2

0,4

0,6

0,8

Е

Рис. 7.9. Осциллограмма интегрирующей цепи

82

4. Используя калиброванную развертку осциллографа для 8–10

значений времени t, по осциллограмме измерить напряжение на конден-

саторе UC и записать в таблицу 7.2.

Таблица 7.2

Измеренные напряжения на конденсаторе

для интегрирующей цепи

Параметр Измеренные значения

t, сек

UC, В

Расчетные значения

C U

E

ln C U

E

5. Зарисовать осциллограмму наблюдаемого напряжения, про-

ставив по осям У и Х значения напряжения и времени (аналогично

рис. 7.8).

3.3.3. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

1. По вычисленным значениям таблиц 7.1 и 7.2 построить графики за-

висимости для дифференцирующей и интегрирующей цепей

ln ( ) C U

f t

E

. (7.25)

2. По тангенсу углу наклона построенной зависимости в п. 1, опреде-

лить постоянную времени τ для каждой цепи.

3. Из формулы для постоянной времени τ = RC определить сопротивление

R5. Значение емкости конденсатора С указано на его корпусе.

4. ВОПРОСЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И САМОКОНТРОЛЯ СТУДЕНТОВ

1. Что такое переходной процесс?

2. Какие цепи и процессы изучаются в данной работе?

3. В чем измеряются R, C, τ?

4. Дать определение дифференцирующей и интегрирующей цепи.

Чем они отличаются?

5. Как работает исследуемая схема установки?

6. Каким образом по осциллограмме переходного процесса можно

определить постоянную времени?

83

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8.

ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОПРОТИВЛЕНИЙ

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Изучение принципов и способов измерения малых, средних и больших электрических сопротивлений.

2. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ

В повседневной производственной практике часто приходится из-мерять сопротивления отдельных элементов электрической цепи, со-противления заземления, сопротивления изоляции электрических уста-новок, машин и аппаратов.

С точки зрения методики все электрические сопротивления делятся на три группы:

а) малые сопротивления (r ≤ 1 Ом);

б) средние сопротивления (1 ≤ r ≤ 105 Ом);

в) большие сопротивления (1 ≥ 105 Ом).

Малыми электрическими сопротивлениями обладают, например, обмотки якорей электрических машин постоянного тока, последова-тельные обмотки электроизмерительных приборов, шунты и т.д.

Средними и большими электрическими сопротивлениями обладают параллельные обмотки возбуждения электрических машин постоянного тока, параллельные обмотки электроизмерительных приборов и т.д.

Существуют различные методы измерения электрических сопро-тивлений. В данной работе предлагается произвести измерения элек-трических сопротивлений различными способами:

1) омметром;

2) одинарным мостом постоянного тока;

3) на постоянном токе – методом амперметра и вольтметра.

Измерение электрических сопротивлений омметром

Для прямого измерения сопротивления применяют омметры – магнитоэлектрические приборы, шкалы которых проградуированы в единицах сопротивления. Омметр состоит из источника питания посто-янного тока (батареи), регулировочного резистора Rрег и миллиампер-метра (рис. 8.1).

Прибор работает по принципу измерения тока при постоянной ЭДС. Перед измерением зажимы RX замыкаются накоротко, и регули-ровочным резистором Rрег выставляется ноль на шкале прибора. Затем подключается измеряемое сопротивление и снимается отсчет. Омметры

84

имеют большую погрешность (класс точности 2,5) и неравномерную

(обратную) шкалу.

RX mA

Rрег Е

Рис. 8.1. Схема омметра

Более точными способами измерения сопротивлений является мо-

стовая схема измерения сопротивлений и метод амперметра и вольтмет-

ра.

Измерение электрических сопротивлений одинарным

измерительным мостом

Наиболее точным методом измерения сопротивлений является из-

мерение с помощью р а в н о в е с н о г о м о с т а . Мост постоянного тока в

простейшем случае состоит из четырех резисторов R1, R2, R3 и R4, обра-

зующих две параллельные ветви, подключенные к источнику питания.

Принципиальная электрическая схема одинарного измерительного мо-

ста показана на рис. 8.2.

В замкнутом четырехугольнике, образованном резисторами, разли-

чают плечи моста (сами резисторы) и диагонали, в которые включены

индикатор нуля и источник питания.

Путем подбора сопротивлений в плечах моста можно обеспечить

равновесие моста, т.е. такое распределение потенциалов, чтобы ток в

диагонали моста, где включен индикатор нуля отсутствовал. В этом

случае потенциалы точек В и D будут одинаковыми, поэтому

UAB = UAD, или R1∙I1 = R3∙I3, (8.1)

UBC = UDC, или R2∙I2 = R4∙I4. (8.2)

Разделив одно равенство на другое, получим:

1 1 3 3

2 2 4 4

R I R I

R I R I

. (8.3)

85

РА

R2

R3 R4

R1

Е μA

А

В

С

D

Рис. 8.2. Электрическая схема моста постоянного тока

Так как при равновесии моста ток через гальванометр не проходит,

то I1 = I2 и I3 = I4 (согласно первому закону Кирхгофа для узлов В и D).

Тогда предыдущее уравнение принимает следующий вид:

1 3

2 4

R R

R R

или 1 4 2 3 R R R R . (8.4)

Это уравнение и определяет р а в н о в е с и е о д и н а р н о г о м о с т а .

Мосты, в которых выполняется это условие, называются у р а в н о в е -

ш е н н ы м и .

Если одно из сопротивлений плеч неизвестно, например R1, то,

уравновесив мост, можно найти это сопротивление из общего условия

равновесия моста

2

1 3

4

X

R

R R R

R

. (8.5)

На этом принципе основано измерение сопротивлений одинарным

мостом постоянного тока. Практически уравновешивание моста дости-

гается изменением величины сопротивления R3 и изменением отноше-

ния плеч R2/R4.

Измерение электрических сопротивлений на постоянном токе ме-

тодом амперметра и вольтметра.

М е т о д а м п е р м е т р а и в о л ь т м е т р а основан на применении

закона Ома к участку цепи

86

X

X

X

U

r

I

. (8.6)

Измерив ток IX, проходящий через сопротивление, и напряжение UX

на нем, можно определить значение сопротивления rX. Измерение со-

противления можно производить по двум схемам, изображенным на ри-

сунках 8.3 и 8.4.

rX

IX

UX

A

UА

V

Рис. 8.3. Измерение сопротивления методом

амперметра и вольтметра

Рассмотрим каждую схему в отдельности. При измерении сопро-

тивления по схеме (рис. 8.3) амперметр показывает правильное значе-

ние проходящего по сопротивлению тока, а вольтметр показывает сум-

му падений напряжений на измеряемом сопротивлении UX и падение

напряжение UA на амперметре, т.е.

U = UX + UA. (8.7)

Поэтому измеренное значение сопротивления будет равно

X A A X

X A

X X X X

U U U U r I U

r r

I I I I

, (8.8)

где U – показания вольтметра; IX – показания амперметра; rA – сопро-

тивление амперметра.

Таким образом, первой схемой (рис. 8.3) целесообразно пользо-

ваться тогда, когда измеряемое сопротивление rX много больше сопро-

тивления амперметра rA : rX >> rA.

rX

IX

UX

rВ

IВ

IА

A

V

Рис. 8.4. Измерение сопротивления методом

амперметра и вольтметра

87

При измерении сопротивления по схеме (рис. 8.4) вольтметр покажет

падение напряжения на измеряемом сопротивлении rX , а амперметр –

сумму токов, проходящих через измеряемое сопротивление и вольтметр,

т.е.

IA = IX + IB. (8.9)

Искомое сопротивление равно

X X X

X

X A B A X B

U U U

r

I I I I U r

, (8.10)

где UX – напряжение на вольтметре; IA – показание амперметра; rB – со-

противление вольтметра.

Вторую схему (рис. 8.4) следует применять когда измеряемое со-

противление rX мало по сравнению с сопротивлением вольтметра

rB : rX << rB.

Если неизвестны сопротивления амперметра и вольтметра rA и rB

или не требуется особой точности в измерении сопротивлений, то со-

противления можно подсчитать по приближенной формуле (8.11) неза-

висимо от того, как включены приборы

X

U

r

I

, (8.11)

где U – показание вольтметра; I – показания амперметра.

Относительная погрешность измерений определяется так:

100% X X

X

r r

r

, (8.12)

где rX – сопротивление измеренное методом моста;

rX – сопротивление, измеренное методом амперметра и вольтметра.

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ

3.1. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В работе необходимо провести измерения сопротивлений оммет-

ром, одинарным мостом постоянного тока и методом амперметра и

вольтметра. Сравнить точность измерений этих методов для малых,

средних и больших сопротивлений.

3.2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Изучить теоретическую часть, подготовить отчет и получить до-

пуск к выполнению лабораторной работы.

2. Ознакомиться с оборудованием и измерительными приборами.

88

3. Записать в таблицу 8.1 технические данные измерительных прибо-ров, используемых при выполнении работы.

Таблица 8.1

Сведения об измерительных приборах

РА

PV

Тип прибора

Система измерительного механизма

(наименование и обозначение)

Предел измерений

Класс точности

Род тока

Цена деления

Абсолютная погрешность измерения

3.2.1. ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ОММЕТРА

(УНИВЕРСАЛЬНОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА)

1. Зажимы омметра замкните накоротко.

2. Регулировочным резистором выставить ноль на шкале прибора.

3. Подключите к зажимам измеряемое сопротивление и снимите от-счет.

4. Измеренное значение запишите в таблицу 8.2.

3.2.2. ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ МОСТОМ ПОСТОЯННОГО ТОКА

1. Ознакомиться с принципом действия и устройством моста по-стоянного тока.

2. К зажимам 1 и 2 моста, обозначенным Х, подключить неиз-вестное сопротивление rX.

3. С помощью корректора установить стрелку гальванометра на «0».

4. Установите соответствующее отношение плеч R2/R4 .

5. Изменяя сопротивление R3, уравновесить мост сначала при нажатии кнопки «грубо», а затем – «точно» и определить сопротивление по формуле (8.5).

6. С помощью моста измерить сопротивления амперметра rA и вольтметра rB, используемых при измерении сопротивлений способом амперметра и вольтметра.

7. Полученные результаты измерений занести в таблицу 8.2 (п. 2 примечание).

89

3.2.3. ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ МЕТОДОМ АМПЕРМЕТРА И ВОЛЬТМЕТРА

1. Выберите схему включения приборов с учетом рекомендаций

по точности измерений сопротивлений.

2. Соберите схему (рис. 8.3 или рис. 8.4).

3. По показаниям амперметра и вольтметра, используя известные

значения сопротивлений амперметра и вольтметра (rA и rB), определите

величину сопротивления rX по формулам (8.8) или (8.10).

4. Определите относительную погрешность γ по формуле (8.12).

5. Полученные результаты измерений и вычислений занести в

таблицу 8.2.

Таблица 8.2

Таблица проведенных измерений

п/п

Содержание операции Результат Примечание

1

Измерение сопротивления ом-

метром

rΩ =

2

Измерение сопротивления мо-

стом

rX = rA =

rB =

3

Измерение сопротивления мето-

дом амперметра и вольтметра

r'X =

4

Определение относительной по-

грешности измерения

X X

x

r r

100

r

,%

6. Ответить на контрольные вопросы.

7. Оформить отчет в соответствии с методическими указаниями

и предоставить для защиты преподавателю.

4. ВОПРОСЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И САМОКОНТРОЛЯ СТУДЕНТОВ

1. На какие группы делятся все электрические сопротивления с точки

зрения методики измерения?

2. С помощью каких приборов можно измерять сопротивления?

3. Какими способами можно измерять электрические сопротивления?

4. На чем основан метод амперметра и вольтметра при измерении со-

противления?

5. Какие существуют способы включения приборов при измерении

методом амперметра и вольтметра и в каких случаях эти способы

применяются?

6. Объясните принцип действия электроизмерительного моста посто-

янного тока.

7. Что такое условие равновесия одинарного моста?

8. Как проводится измерение с помощью омметра?

90

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9.

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Изучение принципа действия и методов испытания однофазного трансформатора, определение его основных параметров.

2. Расчет и построение векторных диаграмм и рабочих характери-стик однофазного трансформатора в различных режимах.

2. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ

Трансформатор – статический электромагнитный аппарат, предна-значенный для преобразования переменного тока одного напряжения в другое напряжение той же частоты.

Трансформаторы делятся по назначению на силовые, специальные, измерительные и радиотехнические. К силовым относятся трансформа-торы, передающие потребителю электрическую энергию, к специаль-ным – сварочные и выпрямительные, к измерительным – трансформато-ры тока и напряжения, служащие для подключения электроизмеритель-ных приборов, к радиотехническим – маломощные трансформаторы и трансформаторы, работающие на повышенной частоте. Кроме того, по числу фаз трансформаторы подразделяются на однофазные и трехфаз-ные и по способу охлаждения – на масляные, сухие и с твердым напол-нителем. По числу обмоток трансформаторы делятся на двухобмоточ-ные и многообмоточные.

Изображение однофазного двухобмоточного трансформатора на электрической схеме приведено на рис. 9.1.

Рис. 9.1. Изображение однофазного трансформатора

на электрических схемах

91

3. УСТРОЙСТВО ОДНОФАЗНОГО ТРАНСФОРМАТОРА И ПРИНЦИП ЕГО ДЕЙСТВИЯ

Трансформатор состоит из замкнутого сердечника (магнитопрово-

да), и двух (или большего числа) обмоток (рис. 9.2). Обмотка, которая

подключается к источнику напряжения, называется п е р ви ч н о й . Дру-

гая обмотка, к которой присоединяются приемники энергии, называется

в т о р и ч н о й . Все величины, относящиеся к первичной обмотке, отме-

чаются индексом 1 (например P1, U1, I1, r1 и т.д.), а величины, относя-

щиеся к вторичной обмотке, – индексом 2 (например P2, U2 и т.д.).

Трансформатор является о б р а т и м ы м аппаратом, т.е. в качестве

первичной обмотки может быть любая из обмоток трансформатора.

Наматывается обмотка трансформатора медным изолированным прово-

дом с дополнительной изоляцией между слоями.

U1 U2

I1

I2

W2 W1

2 Ф 1 3

Рис. 9.2. Устройство однофазного трансформатора:

1 – магнитопровод; 2 – первичная обмотка; 3 – вторичная обмотка

Магнитопровод (железный сердечник) набирают из тонких листов

электротехнической стали, изолированных друг от друга слоем лака или

окалины для уменьшения потерь на гистерезис и от вихревых токов.

Часть магнитопровода, на котором располагается обмотка, называется

с т е р ж н е м , а часть, замыкающая стержни, я р м о м . По своему устрой-

ству магнитопровод подразделяется на П-образный и Ш-образный.

Принцип работы трансформатора основан на принципе электро-

магнитной индукции Фарадея

dФ

e

dt

. (9.1)

При подаче переменного синусоидального напряжения U1 на пер-

вичную обмотку трансформатора по этой обмотке пойдет ток I1, кото-

рый создает в ферромагнитном сердечнике переменное магнитное поле.

Появляющийся при этом магнитный поток изменяется также по гармо-

ническому закону

Ф = Фmsinωt, (9.2)

92

где

1

m

m

U

Ф

w

амплитуда магнитного потока;

Um – амплитуда напряжения на входе трансформатора;

w1 – число витков первичной обмотки;

ω – круговая частота переменного тока.

Магнитный поток Ф, замыкающийся по сердечнику (магнитопро-

воду), пронизывает витки первичной и вторичной обмоток. По закону

электромагнитной индукции (9.1) поток Ф индуктирует в каждом витке

обмоток э.д.с.

sin

cos sin( 90 ) m

в m m

dФ dФ t

e Ф t Ф t

dt dt

. (9.3)

Сравнивая 9.2 и 9.3, видим, что э.д.с. отстает от магнитного потока

на угол 90º, а действующее значение э.д.с. в витке

2

4,44

2 2

в m m m

f

E Ф Ф fФ . (9.4)

Следовательно, в первичной обмотке возникает э.д.с.

Е1 = 4,44 ∙fW1Фm, (9.5)

а э.д.с. вторичной обмотки

E2 = 4,44 fW2Фm. (9.6)

Отношение напряжения на первичной обмотке к напряжению на

вторичной обмотке называют коэффициентом трансформации К транс-

форматора

1

2

U

K

U

. (9.7)

Если К > 1, то U1 > U2 (напряжение вторичной обмотки ниже

напряжения первичной обмотки) – такой трансформатор называют п о -

н и ж а ю щ и м ; если К < 1, U1 < U2 (напряжение вторичной обмотки вы-

ше напряжения первичной) – п о в ы ш а ю щ и й трансформатор; К = 1,

U1 = U2 (напряжение вторичной обмотки равно напряжению первичной

обмотки) – р а з д е л и т е л ь н ы й трансформатор. Разделительные

трансформаторы применяются в радиотехнике для электрического раз-

деления цепей (гальванической развязки цепей), т.к. в трансформаторе

первичная и вторичная цепи связаны только магнитной связью.

Использование трансформатора связано с неизбежными потерями

электрической энергии. Различают два вида потерь в трансформаторе:

потери на нагревание обмоток при прохождении по ним переменного

тока, получившие название п о т е р и в м е д и (РМ – мощность потерь

в меди), и потери в стальном сердечнике, связанные с гистерезисом

и вихревыми токами, получившие название п о т е р и в с т а л и (РСТ

93

мощность потерь в стали).

Энергетические соотношения в трансформаторе наглядно могут

быть показаны с помощью энергетической диаграммы (рис. 9.3), где Р1

активная мощность, подведенная к трансформатору от источника пи-

тания; Р2 – полезная активная мощность, отдаваемая трансформатором

в нагрузку; РСТ – потери на перемагничивание сердечника и вихревые

токи (потери в стали); РМ – потери в активных сопротивлениях первич-

ной и вторичной обмоток (потери в меди).

Р1

Р2

РСТ РМ

Рис. 9.3. Энергетическая диаграмма трансформатора

Потери в стали магнитопровода на гистерезис и вихревые токи за-

висят от частоты тока питающей сети и магнитной индукции. Так как

при работе трансформатора частота тока сети и амплитуда магнитной

индукции неизменны (при условии постоянства приложенного напря-

жения), то потери в стали постоянны, не зависят от нагрузки трансфор-

матора и равны потерям холостого хода трансформатора Ро. Эти потери

определяются из опыта холостого хода трансформатора. Потери в меди

РМ определяются из опыта короткого замыкания трансформатора.

К.п.д. трансформатора представляет собой отношение полезной

мощности, отдаваемой трансформатором в нагрузку, к мощности, по-

требляемой из первичной сети

2

1

100%

P

P

. (9.8)

К.п.д. трансформаторов малых мощностей (до 1000 Вт): η = 85 ÷ 95 %,

для трансформаторов больших мощностей η = 95 ÷ 99,5 %.

В работе трансформатора можно выделить три режима:

1) режим холостого хода, когда вторичная обмотка разомкнута;

2) режим короткого замыкания, когда вторичная обмотка замкнута;

3) рабочий режим (работа под нагрузкой).

3.1. РЕЖИМ ХОЛОСТОГО ХОДА ТРАНСФОРМАТОРА

При этом режиме на первичную обмотку трансформатора (рис. 9.4)

подается номинальное напряжение U1H (согласно паспорту трансформа-

тора), а вторичная обмотка разомкнута, т.е. трансформатор работает без

94

нагрузки. Амперметр РА1 показывает ток холостого хода I10 = 0. Вольт-

метр PV2 во вторичной цепи показывает напряжение вторичной обмотки

U20 = Е2.

Ввиду малости тока, протекающего в первичной обмотке, потери

мощности в первичной катушке составляют не более одного процента

от номинальной мощности трансформатора. Поэтому потери мощности в

первичной и вторичной обмотке можно принять равными нулю Р10 ≈ 0,

Р2 = 0. Следовательно, в режиме холостого хода потери мощности

наблюдаются только в магнитопроводе и связаны с перемагничиванием

железа и вихревыми токами в магнитопроводе. Ваттметр PW показыва-

ет мощность потерь в сердечнике трансформатора: Р10 = РСТ, которые

составляют (0,3–1,4) % от номинальной мощности трансформатора.

V

W

PV1

A

PA1 PW

V

PV2

TV

I10

A

PA2

Рис. 9.4. Схема испытания трансформатора

в режиме холостого хода

При холостом ходе, пренебрегая падением напряжения на первич-

ной обмотке трансформатора, Е1 ≈ U1, Е2 = U2. В этом случае коэффици-

ент трансформации К

1 1 10

2 2 20

U E U

K

U E U

. (9.9)

Таким образом, в опыте холостого хода определяются коэффици-

ент трансформации, магнитный поток Фm и магнитные потери в магни-

топроводе.

3.2. РЕЖИМ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Режим короткого замыкания для трансформатора является аварийным,

т.к. при закорачивании вторичной обмотки U2 = U2К.З. = 0, ZH = 0 и ток в пер-

вичной обмотке будет в 15–20 раз больше номинального рабочего ре-

жима.

Поэтому о п ы т к о р о т к о г о з а м ы к а н и я производят только с

95

целью определения параметров первичной и вторичной обмоток п р и

п о н и ж е н н о м н а п р я ж е н и и на первичной обмотке: U1K.З. << U.

Опыт производят при условии протекания по первичной и вторич-

ной обмотке трансформатора номинальных токов: I1K.З. = I1H, I2K.З. = I2H.

Напряжение короткого замыкания для первичной обмотки задается в

процентах от номинального напряжения U1K.З. = (U1K./U1H)∙100 % и со-

ставляет примерно 5 % трансформаторов с масляным охлаждением и

2–2,5 % для трансформаторов с воздушным охлаждением.

Схема опыта короткого замыкания приведена на рис. 9.5.

Так как напряжение короткого замыкания в первичной обмотке во

много раз меньше номинального напряжения, то

1 1 4,44 m U wФ f , (9.10)

ФmК.З.<< ФmH, (9.11)

где ФmК.З. – амплитуда магнитного потока при коротком замыкании,

ФmН – амплитуда магнитного потока при работе трансформатора под

нагрузкой.

V

W

PV1

A

PA1 PW

V

PV2

TV

I1К.З.

A

PA2

Рис. 9.5. Схема опыта короткого замыкания

Потери в стали магнитопровода будут стремиться к нулю: Рст → 0.

Поэтому мощность при коротком замыкании рассеивается только в об-

мотках трансформатора и идет на нагрев меди в них

2 2 2

К.З. 1 2 1H 1 1H 2 1H К.З. P P P I R I R I R , . (9.12)

где R1 и R2 – сопротивления первичной и вторичной обмоток, I1H и I2H

номинальные (рабочие) токи, проходящие по первичной и вторичной

обмоткам, Р1, Р2 – мощность потерь в меди в первичной и вторичной

обмотках.

По этой причине можно считать, что мощность, измеряемая ватт-

метром PW при опытном коротком замыкании, показывает мощность

потерь в меди (обмотках) трансформатора.

96

Общее сопротивление короткого замыкания ZK определится из от-

ношений

. .

1 . . 1 . .

1

К З

К З H К З

H

P

U I R

I

, (9.13)

. .

. .

. .

cos К З

К З

К З

R

Z

, (9.14)

2

1

H

H

I

К

I

. (9.15)

Таким образом, при исследовании опытного короткого замыкания

измеряются электрические потери в обмотках трансформатора и сопро-

тивления короткого замыкания трансформатора.

3.3. РАБОЧИЙ РЕЖИМ

В этом режиме к первичной обмотке трансформатора подводится

номинальное напряжение U1H, а ко вторичной обмотке подключается

сопротивление нагрузки Z. При номинальной нагрузке I2 = I2H, напряже-

ние U2 = U2H и по первичной цепи протекает номинальный ток I1H.

Свойства трансформатора при работе под нагрузкой могут быть

определены непосредственным его испытанием. Однако такое опреде-

ление имеет определенные недостатки: необходимо нагрузочное обору-

дование и потребляется много электроэнергии. Все рабочие свойства

трансформатора можно определить по данным опытов холостого хода и

короткого замыкания. На производство опытов холостого хода и корот-

кого замыкания тратится сравнительно мало электрической энергии,

при этом отпадает потребность в громоздком нагрузочном оборудова-

нии и результаты получаются очень точные.

При исследовании работы трансформатора для упрощения и

наглядности расчетов применяют различные методы: метод схемы за-

мещения, метод векторных диаграмм, метод построения и анализа ха-

рактеристик трансформатора в разных режимах.

4. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ

4.1. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Собрать электрическую схему для исследования однофазного

трансформатора. Изменяя характер нагрузки вторичной обмотки транс-

форматора осуществить опыты холостого хода и короткого замыкания,

а также исследовать работу трансформатора при различных нагрузках

в рабочем режиме.

97

По измеренным данным рассчитать параметры трансформатора, построить векторные диаграммы и рабочие характеристики трансфор-матора при разных режимах работы.

4.2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Изучить теоретическую часть, подготовить отчет в соответ-ствии с указаниями и получить допуск к выполнению лабораторной ра-боты.

2. Ознакомиться с оборудованием лабораторного стенда и изме-рительными приборами.

3. Записать в таблицу 9.1 технические данные измерительных приборов.

Таблица 9.1

Сведения об измерительных приборах

PA1

PV1

PW1

PA2

PV2

Наименование прибора

Тип прибора

Измерительный механизм

(наименование и обозначение)

Предел измерений

Класс точности

Род тока

Цена деления

Абсолютная погрешность

измерения

4. Собрать электрическую схему для исследования однофазного трансформатора (рис. 9.6) и предоставить для проверки препода-вателю.

4.2.1. ОПЫТ ХОЛОСТОГО ХОДА

1. Вторичную обмотку разомкнуть с помощью переключателей SA1 – SA4.

2. Первичную обмотку трансформатора подключить к сети с напря-жением U1X = 220 В.

3. Снять показания измерительных приборов и записать в табл. 9.2.

98

PV1

PA1 PW1

W

V V

A A

PV2

PA2

TV

SA1 SA2 SA3 SA4

ЛАТР

SA

Рис. 9.6. Электрическая схема исследования

однофазного трансформатора

Таблица 9.2

Опыт холостого хода трансформатора

Измеренные значения опыта холостого хода

U10, В I10, А Р10, Вт U20, В I20, А

Вычисленные значения опыта холостого хода

Z0, Ом R0, Ом X0, Ом К cosφ0 Фm, Вб , Тл

4.2.2. ОПЫТ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

1. Вторичную обмотку замкнуть накоротко.

2. Для измерения напряжения U1К.З. использовать __________вольтметр PV2 со

шкалой 50 В. Для измерения напряжения на вторичной обмотке

использовать вольтметр PV1. Чтобы это сделать, поменяйте прово-

да с одного вольтметра на другой.

3. К первичной обмотке подведите с помощью автотрансформатора

пониженное напряжение U1К.З. = 10 ÷ 15 В (напряжение должно

быть такое, чтобы амперметр PA2 не зашкаливал).

4. Измеренные значения опыта короткого замыкания запишите в таб-

лицу 9.3.

99

Таблица 9.3

Опыт короткого замыкания трансформатора

Измеренные значения опыта короткого замыкания

U1К.З., В I1К.З., А Р1К.З., Вт U2К.З., В I2К.З,, А

Вычисленные значения опыта короткого замыкания

ZК.З., Ом RК.З., Ом XК.З., Ом cosφК.З.

4.2.3. РАБОТА ТРАНСФОРМАТОРА В РАБОЧЕМ РЕЖИМЕ

1. Собрать схему, как показано на рисунке 9.6.

2. На первичную обмотку подать напряжение U1 = 220 В.

3. Изменяя нагрузку трансформатора включением переключателей

SA1 – SA4 (рис. 9.6), снять показания всех приборов и записать в

таблицу 9.4.

Таблица 9.4

Рабочий режим трансформатора

п/п

Измеренные значения Вычисленные значения

U1, В I1, А Р1, Вт U2, В I2, А К Р2, Вт cosφ1 η

1

2

3

4

4.3. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

Используя результаты проведенных опытов, рассчитать следующие

параметры однофазного трансформатора.

Расчет по данным опыта холостого хода

1. 10

0

10

U

Z

I

полное сопротивление первичной обмотки трансформа-

тора.

2. 10

0 2

10

P

R

I

активное сопротивление первичной обмотки трансфор-

матора.

3. 2 2

0 0 0 X Z R – реактивное сопротивление первичной обмотки

трансформатора.

100

4. 10

20

U

K

U

коэффициент трансформации.

5. 0

0

0

cos

R

Z

коэффициент мощности.

Используя данные опыта холостого хода рассчитать также магнит-

ный поток Фm в сердечнике трансформатора по формуле 9.16 и индук-

цию В магнитного поля по формуле 8.17:

10

1 4,44 m

U

Ф

fw

, (9.16)

Фm = BS. (9.17)

При вычислениях принять:

1) количество витков в первичной обмотке трансформатора w1 рав-

ным 136;

2) площадь сердечника трансформатора S = 100 см2;

3) частоту переменного тока f = 50 Гц.

Полученные данные занести в таблицу 9.2.

Расчет по данным опыта короткого замыкания

1. 1 . .

. .

1 . .

К З

К З

К З

U

Z

I

полное сопротивление трансформатора в опыте ко-

роткого замыкания.

2. . .

. . 2

1 . .

К З

К З

К З

P

R

I

активное сопротивление трансформатора.

3. 2 2

К.З. К.З. К.З. X Z R – индуктивное сопротивление трансформатора.

4. 1 . .

. .

1 . . 1 . .

cos К З

К З

К З К З

P

U I

коэффициент мощности.

Полученные данные занести в таблицу 9.3.

Расчет параметров р а б о ч е г о р е ж и м а трансформатора

1. 1

2

U

K

U

коэффициент трансформации трансформатора.

2. P2 = U2I2∙cosφ2 – мощность во вторичной обмотке трансформатора,

при этом cosφ2 = 1, т.к. нагрузка трансформатора активная.

3. 1

1

1 1

cos

P

U I

коэффициент мощности первичной обмотки.

101

4. 2

1

100%

P

P

коэффициент полезного действия трансформатора.

Полученные данные занести в таблицу 9.4.

С помощью вычисленных значений величин можно построить

в е к т о р н ы е д и а г р а м м ы т р а н с ф о р м а т о р а , найти параметры

с х е м ы з а м е щ е н и я т р а н с ф о р м а т о р а , которая используется для

расчета электрических цепей.

Векторная диаграмма холостого хода трансформатора

Построить векторную диаграмму холостого хода трансформатора

по данным опыта холостого хода:

а) построение векторной диаграммы начинаем с выбора масштабов MI

и MU (вектор Фm один и строится без масштаба);

б) строим вектор Фm, совмещая его с горизонталью (Ф Ф t m sin );

в) откладываем вектора E1 и E2 под углом 90º в сторону отставания от

Фm;

г) строим вектор E1 ≈ U1;

д) под углом φ0 от U1 в сторону отставания строим вектор I0.

Пример построения векторной диаграммы показан на рис. 9.7.

Угол δ называется уг л о м г и с т е р е з и с н о г о о п е р еже н и я или

уг л о м п о т е р ь . Обычно этот угол мал и составляет несколько градусов.

Векторная диаграмма опыта короткого замыкания

По данным опыта короткого замыкания построить векторную диа-

грамму:

а) построение векторной диаграммы начинаем с выбора масштабов MI

и MU;

б) горизонтально отложим вектор тока короткого замыкания I1К.З.;

в) под углом φК.З. отложим вектор напряжения на первичной обмотке

U1К.З.;

г) проекции этого вектора на горизонтальную ось определят вектора

падения напряжения на активном и реактивном сопротивлении ко-

роткого замыкания.

По данным таблицы 9.4 построить в н е ш н ю ю (н а г р у з о ч н у ю )

характеристику трансформатора U2 = f(I2) и р а б о ч и е х а р а к т е р и -

с т и к и трансформатора К = f(I2), cosφ1 = f(I2), η = f(I2).

Составить отчет о проделанной работе.

Ответить на контрольные вопросы и сдать отчет по лабораторной

работе преподавателю.

102

Фm

E1

U2 = E2

U1 E1

φ0

90º

δ

I0

Рис. 9.7. Векторная диаграмма холостого хода трансформатора

5. ВОПРОСЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И САМОКОНТРОЛЯ СТУДЕНТОВ

1. Что такое трансформатор и как он устроен? Где применяются

трансформаторы?

2. Как работает трансформатор?

3. Почему трансформаторы применяются лишь в цепях переменного

тока?

4. Что называется коэффициентом трансформации трансформатора и

как его определить?

5. Что называется холостым ходом трансформатора? Для чего осу-

ществляется опыт холостого хода?

6. Что называют коротким замыканием трансформатора? Для чего

осуществляется опыт короткого замыкания?

7. Как определить потери мощности в трансформаторе?

8. Как вычислить магнитный поток в сердечнике?

9. Что такое внешняя характеристика трансформатора?

10. Что такое рабочие характеристики трансформатора?

103

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Ознакомиться с устройством и принципом работы полупроводни-

ковых диодов.

2. Приобрести практические навыки в снятии вольтамперной харак-

теристики кремниевого и германиевого диодов.

3. Определить статическое и дифференциальное сопротивления ис-

следуемых диодов.

2. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ

Широко распространенным элементом электрических цепей явля-

ются полупроводниковые диоды.

Д и о д а м и называются полупроводниковые приборы, имеющие

один p-n переход и два вывода (электрода). Структура и схематическое

обозначение диода показано на рис. 10.1. P-область представлена стрел-

кой, а n-часть – чертой. Вывод от n-области называется катодом, а вы-

вод от p-области – анодом.

Катод

р

n

Анод

А

К

а)

б)

А

К

p-n переход

а б

Рис.10.1. Структура (а) и схематическое обозначение (б) диода

Диод образован соединением двух полупроводников p- и n- типа.

В месте контакта этих материалов образуется p-n переход, который опреде-

ляет свойства диода. Ширина p-n перехода очень мала, от 1 до 50 мкм.

Так как концентрация электронов в n-области больше, чем

в p-области, электроны диффундируют из n-области в р-область. Анало-

гичным образом дырки диффундируют из р-области в n-область. По ме-

ре диффузии пограничный слой р-области обедняется дырками и в нем

возникает отрицательный объемный заряд ионизированных атомов ак-

цепторной примеси. Пограничный слой n-области обедняется электро-

нами, и в нем возникает положительный объемный заряд за счет иони-

зированных атомов доноров.

104

Область p-n перехода, имеющую пониженную концентрацию ос-

новных носителей заряда, называют з а п и р а ю щ и м слоем или о б е д -

н е н н ы м слоем. За счет положительного объемного заряда в погранич-

ном слое n-области электрический потенциал этой области становится

выше, чем потенциал р-области.

Между n- и р-областями возникает разность потенциалов, которая

называется к о н т а к т н о й .

Поскольку электрическое поле p-n перехода препятствует диффу-

зии основных носителей в соседнюю область, то считают, что между р-

и n- областями установился потенциальный барьер.

Потенциальный барьер довольно мал, его величина составляет не-

сколько десятых долей вольта. Типичные значения потенциального ба-

рьера – 0,3 вольта для p-n перехода в германии, и 0,7 вольта для p-n пе-

рехода в кремнии. Потенциальный барьер проявляется, когда к p-n пе-

реходу прикладывается внешнее напряжение.

При п р я м о м в к л ю ч е н и и p-n перехода (рис. 10.2, а), когда «+»

источника питания подается на область р, а «−» − на область n, потен-

циальный барьер у м е н ь ш а е т с я . Вследствие этого диффузия основ-

ных носителей через p-n переход значительно облегчается и во внешней

цепи возникает ток. Такой ток называют т о к о м п р я м о г о н а п р а в -

л е н и я или п р я м ы м т о к о м , а переход считают с м е щ е н н ы м в

п р я м о м н а п р а в л е н и и .

а)

б)

А

р

n

А

К

К

p-n переход

р

n

А

К

К

p-n переход

а б

Рис. 10.2. Способы подачи напряжения на p-n переход:

а – прямое включение; б – обратное включение

105

При обратном включении p-n перехода (рис. 10.2, б), когда «+» источника питания подается на область n, а «−» − на область р, по-тенциальный барьер возрастает. В этом случае переход основных носителей из одной области в другую затрудняется и уменьшается ток во внешней цепи. Такой ток называют обратным, а переход считают смещенным в обратном направлении.

Таким образом, в зависимости от полярности приложенного напряжения диод может находиться в одном из двух состояний: откры-том либо закрытом. Такое свойство p-n перехода и диода называют вентильным эффектом.

В зависимости от функционального назначения диоды делят на выпрямительные, универсальные, импульсные, стабилитроны, варика-пы, туннельные, параметрические, фотодиоды, светодиоды и др.

В качестве выпрямительных диодов используют сплавные и диф-фузионные диоды, выполненные на основе несимметричных p-n пере-ходов. Для выпрямительных диодов характерно малое сопротивление в проводящем состоянии и возможность пропускать большие токи. Барь-ерная емкость из-за большой площади p-n перехода велика и достигает значений десятков пикофарад.

Выпрямительные диоды обладают односторонней проводимостью электрического тока. Это свойство используют, например, в выпрями-телях, где диоды преобразуют переменный ток электрической сети в ток постоянный для питания радиоаппаратуры и другой электротехники, в приемниках – для детектирования модулированных колебаний высокой частоты, то есть преобразования их в колебания низкой (звуковой) ча-стоты и т.д.

Зависимость тока, протекающего через диод, от приложенного к нему напряжения называют вольтамперной характеристикой (ВАХ) p-n перехода (полупроводникового диода). ВАХ диода снимают экспери-ментально. Типичная вольтамперная характеристика для кремниевого и германиевого диодов приведена на рис. 10.3.

Основные параметры выпрямительных диодов

Основными параметрами выпрямительных диодов являются: прямое напряжение на диоде Uпр. – напряжение при определенном значении прямого тока Iпр.; максимально допустимый прямой ток диода – Iпр.max; максимально допустимое обратное напряжение Uобр.max – значение напряжения, приложенного в обратном направлении, которое диод может выдержать в течение длительного времени без нарушения его работоспособности;

106

обратный ток диода Iобр − среднее значение обратного тока при за-

данном обратном напряжении Uобр;

максимально допустимая рассеиваемая мощность на диоде Pmax.

предельно __________допустимая температура диода Tmax.

Uобр, В

Ge

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

20

40

60

80

100

Uпр, B

0,7

Iпр,

мА

600 400 200

Iобр,

мкА

20

40

Si

Рис.10.3. Вольтамперные характеристики кремниевого

и германиевого диодов

Превышение предельно допустимых параметров приводит, как

правило, к тепловому пробою и разрушению полупроводникового дио-

да.

Основные электрические параметры полупроводниковых диодов

связаны с односторонней проводимостью диодов и показаны на ВАХ

(рис. 10.4).

Iпр, мА

Uобр

Uобр max

Iобр

Uпр

Uпр, В

Iпр max

Iобр, мкА

Iпр

Рис. 10.4. Основные параметры диодов

107

К основным параметрам полупроводникового диода также отно-

сятся:

с т а т и ч е с к о е с о п р о т и в л е н и е (сопротивление диода посто-

янному току)

I

U

R0 , (10.1)

где U и I – напряжение и ток в рабочем режиме;

дифференциальное сопротивление диода Ri (сопротивление пере-

менному току) – отношение приращения напряжения на диоде к

вызвавшему его приращению тока

i

I const

dU U

R

dI I

. (10.2)

В прямом направлении Ri составляет единицы Ом, в обратном –

сотни кОм.

Эти параметры можно определить на прямой ветви вольтамперной

характеристики диода (рис. 10.5) следующим образом:

0

M

M M

U U

R

I I

; (10.3)

2 1

2 1

i

U U U

R

I I I

. (10.4)

Аналогично можно определить данные параметры и на обратной

ветви ВАХ.

Uпр, В

Iпр, mA

M

U1 U2 UM

IM

I2

I1

прямая

ветвь ВАХ

Рис. 10.5. Определение статического и дифференциального

сопротивлений диода на прямой ветви ВАХ

108

Важным параметром диода является его емкость. В p-n переходе

имеется двойной слой из положительно заряженных доноров с одной

стороны и отрицательно заряженных акцепторов – с другой. Этот двой-

ной электрический слой подобен заряженным обкладкам конденсатора.

Эту емкость называют б а р ь е р н о й

0

4 бар

S

C

d

, (10.5)

где S – площадь p-n перехода;

d – толщина обедненного слоя;

ε – диэлектрическая проницаемость среды;

ε0 = 8,85∙10−12 Ф/м.

Изменение заряда в p-n переходе может быть также вызвано изме-

нениями концентрации подвижных носителей заряда в p- и n- областях

при прямом смещении p-n перехода. Эту емкость называют д и ф ф у -

з и о н н о й Сдиф.. Эта емкость зависит от тока: чем выше ток, тем выше

Сдиф. Обе емкости обуславливают инерционность p-n перехода.

Наибольшее влияние на работу p-n перехода оказывает барьерная ем-

кость.

В настоящее время более широкое распространение получили

кремниевые выпрямительные диоды, которые имеют следующие пре-

имущества:

1) малые обратные токи;

2) высокое значение допустимого обратного напряжения, которое до-

стигает 2500…3500 В;

3) работоспособность кремниевых диодов сохраняется при температурах

от − 60° С до +150 °С, германиевых лишь от −60 °С до +80 °С.

Преимуществом германиевых диодов является малое падение

напряжения при пропускании прямого тока (0,2 – 0,6 В против 0,8 – 1,2

у кремниевых). Поэтому в выпрямительных устройствах низких напря-

жений выгоднее применять германиевые диоды, так как их сопротивле-

ние в прямом направлении в 1,5…2 раза меньше, чем у кремниевых.

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ

3.1. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В данной лабораторной работе исследуются наиболее широко рас-

пространенные кремниевые и германиевые диоды. Для этого необходи-

мо снять прямую и обратную ветвь вольтамперной характеристики, ис-

пользуя ВАХ, определить статическое и динамическое сопротивления

полупроводникового диода.

109

Для снятия прямой ветви вольтамперной характеристики в данной

лабораторной работе используют схему, показанную на рис. 10.6.

Для снятия обратной ветви ВАХ диода необходимо изменить поляр-

ность питающего напряжения и его значение (рис. 10.7).

Входное напряжение с помощью трансформатора понижается до

определенного значения. Для преобразования переменного тока в по-

стоянный используется выпрямительный мост на диодах VD1 – VD4.

Изменяя положение движка потенциометра R1, можно задавать различ-

ный ток через исследуемый диод VD5. Измеряя напряжение на диоде с

помощью вольтметра PV и ток с помощью амперметра РА, построить по

точкам прямую и обратную ветви вольтамперной характеристики.

R1 A

V VD5

PA

PV

VD1-VD4

TV

~ 220

B

50 Гц

~6,3 B

Рис. 10.6. Схема для снятия прямой ветви ВАХ диода

R2

A

V VD5

PA

PV

VD1-VD4

TV

~ 220 B

50 Гц

~ 80 B

Рис. 10.7. Схема для снятия обратной ветви ВАХ диода

3.2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Изучить теоретическую часть, подготовить отчет и получить

допуск к выполнению лабораторной работы.

110

2. Ознакомиться с оборудованием лабораторного стенда и изме-рительными приборами.

3. Записать в таблицу 10.1 технические данные измерительных приборов, используемых при выполнении работы.

Таблица 10.1

Сведения об измерительных приборах

РА

PV

Наименование прибора

Тип и номер прибора

Система измерительно-го механизма (наимено-вание и обозначение)

Предел измерений

Класс точности

Род тока

Цена деления прибора

(при предельных значениях тока 1,5 А и 0, 015 А)

(при предельных значениях напряжения 1,5 В и 75 В)

Абсолютная погреш-ность измерения

4. Выписать из справочника основные параметры используемых диодов.

5. Собрать схему электрической цепи по рис. 10.6. В качестве трансформатора используется унифицированный анодно-накальный трансформатор ТАН-17. Реостат R1 = 15 Ом. На амперметре РА типа М2051 установить предел измерений 1,5 А, на вольтметре PV типа М2051 установить предел измерений 1,5 В и представить схему для проверки преподавателю.

6. Изменяя положение движка резистора R1, подать на диоды напряжение от 0 до 0, 7 В, при этом снимая показания вольтметра и ам-перметра. Во избежание выхода диода из строя ток не должен превышать 1,5 А. Данные занести в табл. 10.2.

7. Собрать цепь, показанную на рис. 10.7. Реостат R2 = 470 Ом. На амперметре РА типа М2051 установить предел измерений 0,015 А, на вольтметре PV типа М2051 установить предел измерений 75 В и предста-вить схему для проверки преподавателю.

8. Изменяя положение движка резистора R2, подать на диоды об-ратное напряжение от 0 до 80 В, при этом снимая показания вольтметра и амперметра. Данные занести в таблицу 10.3.

111

Таблица 10.2

Экспериментальные данные прямого включения диодов

Uпр, В

Si

Ge

Iпр,

А

Si

Ge

Таблица 10.3

Экспериментальные данные обратного включения диодов

Uобр, В

Si

Ge

Iобр, А

Si

Ge

3.3. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Используя экспериментальные данные таблиц 10.2 и 10.3, по-строить вольтамперные характеристики германиевого и кремниевого диодов. Построение ВАХ каждого диода сделать на отдельном рисунке.

2. Из полученных характеристик найти Uпр при Iпр = 0,5 мА и Uобр при Iобр= 0,5 мА для германиевого и кремниевого диода.

3. Определить статическое и дифференциальное сопротивление диодов в точке, указанной преподавателем.

4. ВОПРОСЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И САМОКОНТРОЛЯ СТУДЕНТОВ

1. Какое основное свойство диода на основе p-n перехода?

2. Что такое обедненный слой, потенциальный барьер?

3. Что такое прямое и обратное включение диода? Нарисовать, поль-зуясь схематическим обозначением диода.

4. При каких условиях открывается кремниевый (германиевый) диод?

5. Нарисовать вольтамперную характеристику диода. Показать на ней прямую и обратную ветвь.

6. Перечислите основные параметры выпрямительных диодов и пока-зать их на вольтамперной характеристике диода.

7. Каким образом можно определить статическое и дифференциаль-ное сопротивление диода?

8. В каких устройствах используются выпрямительные диоды?

112

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11.

ИССЛЕДОВАНИЕ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Изучить устройство, принцип действия биполярного транзистора.

Приобрести практические навыки в снятии статических характеристик

транзистора и определении его параметров.

2. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. СТРУКТУРА И УСЛОВНОЕ ОБОЗНАЧЕНИЕ ТРАНЗИСТОРА

Б и п о л я р н ы й т р а н з и с т о р – это полупроводниковый прибор,

имеющий два взаимодействующих p-n перехода, образованные в еди-

ном кристалле полупроводника. Он широко используется и как усили-

тельный элемент, и как переключающий элемент.

Основным элементом конструкции транзистора является монокри-

сталл полупроводника, в котором сформированы три области с череду-

ющимися p- и n-типами электропроводности. На границе этих областей

возникают электронно-дырочные переходы. От каждой области полу-

проводника сделаны токоотводы (омические контакты, не имеющие

контактной разности потенциалов). Другими элементами конструкции

являются кристаллодержатель, корпус, выводы.

В зависимости от последовательности чередования областей с раз-

личным типом проводимости различают p-n-p транзисторы и n-p-n

транзисторы. Структуры этих транзисторов представлены, соответ-

ственно, на рис. 11.1.

n

Б К

p

Э

p n

Б К

p

Э

w

n

Эмиттерный

p-n переход

Коллекторный

p-n переход

а б

Рис.11.1. Упрощенная _____________структура транзистора:

а – p-n-p; б – n-p-n; Э−эмиттер; Б−база; К−коллектор

Среднюю область транзистора, расположенную между электронно-

дырочными переходами, называют б а з о й (Б). Примыкающие к базе

113

области обычно делают неодинаковыми. Одну из областей делают так,

чтобы из нее наиболее эффективно проходила и н ж е к ц и я носителей

заряда в базу, а другую так, чтобы p-n переход между базой и этой обла-

стью наилучшим образом собирал инжектированные в базу носители

заряда, то есть осуществил э к с т р а к ц и ю носителей из базы.

Область транзистора, назначением которой является инжекция но-

сителей в базу, называют э м и т т е р о м (Э), а p-n переход между базой

и эмиттером – эмиттерным. Область транзистора, назначением которой

является собирание, экстракция носителей заряда из базы, называют

к о л л е к т о р о м (К), а p-n переход между базой и коллектором – кол-

лекторным. Выводы областей транзистора называют аналогично.

На условно-графическом обозначении транзистора (УГО) разная

структура транзистора отмечается направлением стрелки эмиттера:

у первого типа транзистора (p-n-p) она идет к базе, у второго типа

(n-p-n) – от базы (рис. 11.2). Для более наглядного изображения транзи-

сторы иногда рисуют с кружком (рис. 11.3).

а б

К

Э

Б

К

Э

Б

а б

Рис. 11.2. Условно-графическое изображение биполярного

p-n-p (а) и n-p-n (б) транзистора

Таким образом, биполярный транзистор имеет два взаимодейству-

ющих p-n перехода и три вывода: база (Б), эмиттер (Э) и коллектор (К).

2.2. СХЕМЫ ВКЛЮЧЕНИЯ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Транзистор в схему включают так, что один из его выводов являет-

ся входным, второй – выходным, а третий – общим для входной и вы-

ходной цепей. В зависимости от того, какой электрод транзистора явля-

ется общим для входной и выходной цепи, различают следующие схемы

включения биполярного транзистора:

с общим эмиттером (ОЭ) (рис. 11.3, а);

общей базой (ОБ) (рис. 11.3, б);

114

с общим коллектором (ОК) (рис. 11.3, в).

Для транзистора p-n-p в схемах включения изменяются лишь по-

лярности напряжений и направление токов.

UБЭ

Б

Э К

IК

IБ

UЭБ UКБ

IЭ

UЭК

Б

Э

К IК

IЭ

IБ

UБК

а б в

Б

Э

К

IК

IЭ

IБ

UЭК

а б в

Рис. 11.3. Схемы включения биполярного транзистора

2.3. ПРИНЦИП РАБОТЫ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

Внешние напряжения двух источников питания UБЭ и UКЭ подклю-

чают к транзистору таким образом, чтобы обеспечивалось смещение

эмиттерного перехода П1 в прямом направлении, а коллекторного пере-

хода П2 – в обратном направлении. Такой режим работы транзистора

называют активным или усилительным.

Физические процессы, протекающие внутри транзистора, происхо-

дят следующим образом.

При включении в цепь эмиттера постоянного напряжения UКЭ

в прямом направлении потенциальный барьер эмиттерного перехода

понижается. Через эмиттер идет поток основных носителей заряда –

электронов. Они создают ток эмиттера IЭ (рис. 11.4).

Внешнее напряжение, приложенное к транзистору, оказывается

приложенным в основном к переходам П1 и П2, т.к. они имеют большое

сопротивление по сравнению с сопротивлением базовой, эмиттерной и

коллекторной областей. Поэтому инжектированные в базу электроны

перемещаются в ней посредством диффузии. При этом электроны р е -

к о м б и н и р у ю т с дырками базы. Поскольку концентрация носителей в

базе значительно меньше, чем в эмиттере, то рекомбинируют очень не-

многие электроны. При малой толщине базы почти все электроны будут

доходить до коллекторного перехода П2. На место рекомбинированных

дырок в базу поступают дырки от источника питания UБЭ. Дырки, ре-

комбинировавшие с электронами в базе, создают ток базы IБ.

115

IБ

IК

IЭ

UБЭ

UКЭ

n

p

n

П1

П2

Рис. 11.4. Принцип работы биполярного транзистора

Под воздействием обратного напряжения UКЭ потенциальный барь-

ер коллекторного перехода повышается, а толщина перехода П2 увели-

чивается. Вошедшие в область коллекторного перехода электроны по-

падают в ускоряющее поле, созданное на переходе коллекторным

напряжением, и втягиваются коллектором, создавая коллекторный ток

IК.

Таким образом, в биполярном транзисторе протекает три вида тока:

эмиттера, коллектора и базы.

Полный ток эмиттера IЭ определяется количеством инжектирован-

ных эмиттером основных носителей заряда. Основная часть этих носи-

телей заряда, достигая коллектора, создает коллекторный ток IК. Незна-

чительная часть инжектированных в базу носителей заряда рекомбини-

руют в базе, создавая ток базы IБ. Следовательно, ток эмиттера разде-

лятся на токи базы и коллектора

Э Б К I I I . (11.1)

Это уравнение называется о с н о в н ы м у р а в н е н и е м транзисто-

ра.

Выходной ток транзистора зависит от входного тока. Поэтому

116

транзистор − прибор, у п р а в л я е м ы й т о к о м .

Как было отмечено ранее, из-за малости числа «дырок» в базе по

сравнению с числом инжектированных электронов

Э Б I I . (11.2)

Из формул (11.1) и (11.2) следует, что

Э К I I . (11.3)

Физические процессы в транзисторе типа р-n-р протекают анало-

гично процессам в транзисторе типа n-р-n, только меняется тип основ-

ных носителей заряда и полярность приложенного напряжения.

3. СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА

В любой схеме включения транзистора в каждой из двух цепей

(входной и выходной) действует напряжение между двумя электродами

и протекает ток: во входной цепи – UВХ и IВХ, в выходной – UВЫХ и IВЫХ.

Эти электрические величины определяют режим работы транзистора и

взаимно влияют друг на друга. Характеристики транзистора представ-

ляют собой зависимость одной из этих величин от другой при неизмен-

ной третьей величине. Характеристики, снятые без нагрузки, когда одна

из величин поддерживается постоянной, называют с т а т и ч е с к и м и .

Для схемы с общим эмиттером (рис.11.3, а) входной ток – ток базы

IБ, выходной – ток коллектора IК, входное напряжение создается между

базой и эмиттером UБЭ, а выходное – между коллектором и эмиттером

UКЭ. Тогда статические характеристики имеют вид.

1. Входная характеристика: IБ = f (UБЭ) при UКЭ = const (рис. 11.5).

Входные характеристики относятся к эмиттерному переходу. Он от-

крыт, и поэтому зависимость IБ = f (UБЭ) похожа на вольтамперную ха-

рактеристику диода, работающего при прямом включении.

2. Выходная характеристика: IК = f (UКЭ) при IБ = const (рис. 11.6).

Выходные характеристики относятся к коллекторному переходу, нахо-

дящемуся в закрытом состоянии, поэтому зависимость IК (UКЭ)

при IБ = 0 подобна характеристике диода при обратном напряжении.

Если IБ 0, то выходная характеристика расположена выше, чем при

IБ = 0. Увеличение тока базы означает, что увеличилось напряжение UБЭ

(рис. 11.5). Вследствие этого увеличивается ток коллектора IК. Благода-

ря линейной зависимости IК и IБ пологие участки соседних выходных

характеристик расположены приблизительно на одинаковых расстояни-

ях друг от друга, если IБ пропорционально возрастает (рис. 11.6).

117

IБ

UБЭ

UКЭ2

UКЭ1

UКЭ2 UКЭ1

0

Рис. 11.5. Входная характеристика биполярного транзистора

IБ = 0

IК

UКЭ

F G

IБ1

IБ2

IБ3

IБ4

IБ5

0

Рис. 11.6. Семейство выходных характеристик транзистора

Существование пологого участка на выходной характеристике

(рис. 11.6), где ток коллектора практически не зависит от UКЭ

при IБ = const объясняется просто. Хотя при увеличении UКЭ падение

напряжения в области коллекторного перехода возрастает и электроны

быстрее достигают коллектора, но через базу может пройти лишь фик-

сированное их количество (а оно остается постоянным из-за IБ = const),

поэтому IК не изменяется при повышении UКЭ.

При очень большом значении UКЭ наступает пробой коллекторного

p-n перехода, и транзистор утрачивает свои свойства.

3. Передаточная характеристика: IК = f (IБ) при UКЭ = const.

118

Эта зависимость называется также х а р а к т е р и с т и к о й у п р а в -

л е н и я (рис. 11.7).

IК

А В IБ

IК

IБ

Р

0

Рис. 11.7. Передаточная характеристика транзистора

Эта характеристика снята при UКЭ, лежащим в области FG

(рис. 11.6). Кривые, снятые при других значениях UКЭ, совпадают с при-

веденной кривой в связи с независимостью коллекторного тока IК от UКЭ

в области FG.

При IБ = 0, IК0 0, но очень мал, так как это ток неосновных носи-

телей заряда, движущихся через коллекторный переход.

Из-за пропорциональности IК и IБ на графике существует прямоли-

нейный участок АВ на кривой управления.

Режим работы транзистора выбирают таким, чтобы точка Р (IБ, IК)

находилась примерно на середине прямолинейного участка. При малом

изменении базового тока IБ вблизи точки Р ток коллектора существен-

но изменяется

IК IБ. (11.4)

Величина = IК/ IБ при UКЭ = const называется с т а т и ч е с к и м

к о э ф ф и ц и е н т о м у с и л е н и я транзистора по току в схеме с общим

эмиттером.

Обычно = 10–300, т.е. возможно усилить слабый переменный ток

при помощи транзистора в 10–300 раз. При этом на базу подают усили-

ваемое переменное напряжение, которое вызывает изменение тока базы,

а на коллекторе получают во много раз усиленный переменный ток

(рис. 11.8).

119

Б

Э

К

ЕКЭ

UВЫХ

ЕБЭ

UВХ

RК

Рис. 11.8. Схема усиления переменного сигнала транзистором

Изменения тока IБ вызывают изменения напряжения эмиттерного

перехода, которые полностью передаются в коллекторную цепь и при-

водят к изменению тока коллектора IК. А т.к. напряжение источника

коллекторного питания ЕКЭ значительно больше, чем эмиттерного ЕБЭ,

то и мощность, потребляемая в цепи коллектора РК, будет значительно

больше мощности в цепи база-эмиттер РБЭ. Таким образом, обеспечива-

ется возможность управления большой мощностью в коллекторной це-

пи транзистора малой мощностью, затрачиваемой в цепи базы, т.е. име-

ет место усиление мощности.

4. H–ПАРАМЕТРЫ ТРАНЗИСТОРА

Свойства транзистора можно описать системой h–параметров, с

помощью которых можно сравнивать качества транзисторов и рассчи-

тывать электронные схемы.

Указанные h–параметры связывают входные и выходные токи и

напряжения и справедливы для активного режима работы транзистора и

небольших амплитуд сигналов.

Входное сопротивление для переменного тока

11

БЭ

Э

Б

U

h

I

, при UКЭ = const. (11.5)

Коэффициент внутренней обратной связи по напряжению

12

БЭ

Э

КЭ

U

h

U

, при IБ = const. (11.6)

Коэффициент усиления по току

21

К

Э

Б

I

h

I

, при UКЭ = const. (11.7)

120

Выходная проводимость

22

К

Э

КЭ

I

h

U

, при IБ = const. (11.8)

Эти коэффициенты определяются либо экспериментально, либо из

входных и выходных характеристик (рис. 11.9).

в г

IБ

UБЭ

UКЭ = const

IБ

UБЭ

IК

UКЭ

IБ = const

IК

0

UКЭ

IК

IК

UКЭ

IБ1

IБ2

IБ

0 UКЭ = const

а б

0

IБ

IБ = const

UБЭ

UКЭ1

UКЭ

UКЭ2

UБЭ

0

а б

IК

UКЭ

IБ = const

IК

0

UКЭ

IК

IК

UКЭ

IБ1

IБ2

IБ

0 UКЭ = const

в г

Рис. 11.9. Определение h-параметров по статическим

характеристикам транзистора в схеме c ОЭ:

а – h11Э; б – h12Э; в – h21Э; г – h22Э

5. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ

5.1. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Для получения статических характеристик транзистор включается

в электрическую цепь, схема которой приведена на рис. 11.10.

От стабилизированного источника питания напряжение подается

на транзистор VT типа p-n-p.

Потенциометр R1 регулирует напряжение между базой и эмитте-

ром. Вольтметр PV1 и миллиамперметр PA1 служат для измерения

напряжения и тока в цепи база-эмиттер.

121

Потенциометр R2 регулирует напряжение между коллектором и эмиттером. Вольтметр PV2 и миллиамперметр PA2 служат для измере-ния напряжения и тока в цепи коллектора.

Изменяя потенциометром R1 напряжение между базой и эмитте-ром, определяем величину тока базы IБ для различных значений напря-жения между коллектором и эмиттером. По данным эксперимента стро-ятся входные статические характеристики.

Изменяя потенциометром R2 напряжение между коллектором и эмиттером, определяем величину тока коллектора IК для различных зна-чений напряжения между базой и эмиттером. По данным эксперимента строятся выходные статические характеристики.

По полученным данным необходимо вычислить h-параметры бипо-лярного транзистора: h11Э, h12Э, h21Э и h22Э.

5.2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Изучить теоретическую часть, подготовить отчет и получить до-пуск к выполнению лабораторной работы.

2. В работе исследуется транзистор МП40 (МП41) структуры p-n-p, включенного по схеме с общим эмиттером (ОЭ). Максимально допу-стимые значения токов и напряжений транзистора даны в табл. 11.1.

3. Ознакомиться с оборудованием и измерительными приборами. Данные по измерительным приборам записать в табл. 11.2.

Таблица 11.1

Предельные параметры исследуемого транзистора

п/п

Наименование параметра

Величина

1

Наибольшая величина тока коллектора в активном режиме IK max, мА

20

2

Наибольшая величина напряжения между коллектором и базой UКБ max, В

15

3

Наибольшая величина напряжения между коллектором и эмиттером UКЭ max, В

15

4

Наибольшее обратное напряжения между эмиттером и базой UЭБ обр. max, В

15

122

Таблица 11.2

Сведения об измерительных приборах

РА1

РА2

РV1

РV2

Наименование прибора

Тип и номер прибора

Система измерительного

механизма

Предел измерений

Класс точности

Род тока

Цена деления прибора

Абсолютная погрешность измерения

4. Соберите электрическую схему, показанную на рис. 11.10.

Рис. 11.10. Схема для снятия статических характеристик

транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером

5. Поставьте ручки потенциометров R1 и R2 в крайнее левое положе-ние.

6. Включите блоки питания в сеть.

123

Снятие входных статических характеристик транзистора

1. Потенциометром R2 установите напряжение между коллектором и эмиттером 3 В.

2. Потенциометром R1 изменяйте напряжение между базой и эмитте-ром транзистора от 0 до 500 мВ через 50 мВ, измерить ток базы Iб для каждого значения напряжения и записать в таблицу 11.3.

Таблица 11.3

Экспериментальные значения IБ = f (UБЭ) при UКЭ = const

п/п

UБЭ, мВ

Iб, мкА

UКЭ = 3 В

UКЭ = 6 В

UКЭ = 9 В

1

0

2

50

3

100

4

150

5

200

6

250

7

300

8

350

9

400

10

450

11

500

3. Повторить п. 2, установив напряжение между коллектором и эмит-тером 6 В.

4. Повторить п. 2, установив напряжение между коллектором и эмит-тером 9 В.

Снятие выходных статических характеристик транзистора

1. С помощью потенциометра R1 установить ток базы 40 мкА (для тран-зистора типа МП40).

2. Изменяя потенциометром R2 напряжение между коллектором и эмиттером от 0 до 16 В через 2 В, измерить ток, протекающий в цепи коллектора. Показания приборов записать в табл. 11.4.

124

3. Повторить п. 2, установив ток базы 80 мкА.

4. Повторить п. 2, установив ток базы 120 мкА.

5. Закончив работу, выключите напряжение цепи и разберите цепь.

Таблица 11.4

Экспериментальные значения IК = f (UКЭ) при IБ = const

п/п

UКЭ, В

Iк, мА

Iб = 40 мкА

Iб = 80 мкА

Iб = 120 мкА

1

0

2

2

3

4

4

6

5

8

6

10

7

12

8

14

9

16

5.3. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. По результатам измерений, занесенных в таблицу 11.3, постро-ить семейство входных характеристик транзистора IБ = f (UБЭ) при UКЭ = const. Рядом с каждой кривой укажите, для какого значения напряжения коллектора она построена.

2. По результатам измерений, занесенных в табл. 11.4, построить семейство выходных характеристик транзистора IК = f (UКЭ) при IБ = const. Рядом с каждой кривой укажите, для какого значения тока коллектора она построена.

3. Используя характеристики транзистора, определить параметры h11Э, h12Э, h21Э и h22Э.

4. Сделайте выводы о проделанной работе.

6. ВОПРОСЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И САМОКОНТРОЛЯ СТУДЕНТОВ

1. Что представляет собой биполярный транзистор?

2. Как транзистор обозначается на электрических схемах?

3. Какие существуют схемы включения транзистора? Начертите их.

4. Объясните принцип работы биполярного транзистора.

5. Дайте определение и нарисуйте входные и выходные характери-стики транзистора в схеме с общим эмиттером.

6. Что такое коэффициент усиления по току и как он определяется?

7. Дайте определение h-параметров транзистора и способ их опреде-ления по статическим характеристикам.

125

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 12.

ИССЛЕДОВАНИЕ ТРИОДНОГО ТИРИСТОРА

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Изучить принцип действия тиристора.

2. Снять статические вольтамперные характеристики цепи управле-

ния и анодной цепи тиристора.

3. Провести разные способы запирания тиристора.

2. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ

Т и р и с т о р – это полупроводниковый прибор с тремя (или более)

p-n переходами, обладающий двумя устойчивыми состояниями: от-

крытом (рабочим) и закрытом.

В зависимости от конструктивных особенностей и свойств тири-

сторы делят на диодные и триодные. Диодные тиристоры имеют два

вывода (электрода), а триодные тиристоры имеют три вывода. Диодные

тиристоры также называют д и н и с т о р а м и , а триодные – т р и н и с т о -

р а м и (или просто – т и р и с т о р а м и ).

Тиристор представляет собой четырехслойную структуру полупро-

водников p и n- типов проводимости (рис. 12.1).

А К

П1 П2 П3

p1 n1 p2 n2

УЭ

Анод Катод

Управляющий

электрод

Рис.12.1. Структура триодного тиристора

Вывод от крайней области р1 называют а н о д о м , вывод от крайней

области n2 называю катодом, а вывод от одной из промежуточных обла-

стей (n1 или р2) называют управляющим электродом. П1, П2, П3 – p-n пе-

реходы (рис. 12.1).

В зависимости, от какой промежуточной области тиристора сделан

вывод управляющего электрода, различают тиристоры с анодным и с

катодным управлением. На рисунке 12.2 показаны условно-графические

изображения тиристора с а н о д н ы м у п р а в л е н и е м (а) и с к а т о д -

н ы м у п р а в л е н и е м (б).

126

А К

УЭ

А К

УЭ

а б

Рис. 12.2. Условно-графическое изображение тиристора:

а – с анодным управлением; б – с катодным управлением

Тиристор включается в схему последовательно с нагрузкой RH. На

рис. 12.3 показана схема включения триодного тиристора с катодным

управлением.

А

К

П1

П2

П3

p1

n1

n2

p2

УЭ

RУ

RН

UУ

UA

IУ

IA

Цепь

управления

Силовая

цепь

Рис. 12.3. Схема включения тиристора с катодным управлением

Если на анод тиристора подать положительный потенциал относи-

тельно катода, то p-n переходы П1 и П3 будут смещены в прямом

направлении, а p-n переход П2 – в обратном. Сопротивление этого p-n

перехода большое. Поэтому большая часть напряжения UA будет при-

ложена к переходу П2 и анодный ток тиристора представляет собой ма-

лый обратный ток этого перехода. Сопротивление прибора в целом

большое, ток, текущий через тиристор, очень мал. В этом случае гово-

рят, что тиристор находится в з а к р ы т о м с о с т о я н и и .

Если между управляющим электродом и катодом пропустить не-

127

большой ток управления IУ, то в зависимости от величины этого тока

произойдет переключение тиристора из закрытого в о т к р ы т о е с о -

с т о я н и е . Сопротивление тиристора в открытом состоянии небольшое

(менее одного Ома) и ток, текущий через тиристор, будет определяться

в основном сопротивлением нагрузки RH.

Напряжение UA, при котором тиристор переключается в проводя-

щее состояние, при определенном напряжении (токе) на управляющем

электроде UУ (IУ) называют н а п р я ж е н и е м в к л ю ч е н и я Uвкл или

н а п р я ж е н и е м п е р е к л ю ч е н и я Uпер. тиристора.

Тиристор может находиться во включенном состоянии неограни-

ченно долго, пока существуют условия для протекания в его основной

цепи достаточного анодного тока, т.е. включенное состояние тиристора

является устойчивым.

Наличие двух устойчивых состояний тиристора (открытое и закры-

тое), позволяет использовать его в качестве переключателя в различных

схемах автоматики и вычислительной техники.

Меняя напряжение UУ, подаваемое на управляющий электрод, а значит,

и ток управления IУ, можно изменять напряжение переключения Uпер.

тиристора. Чем меньше ток управления, тем меньше значение напряже-

ния переключения. И если в цепи управления создать ток управления

спрямления IУспр., то тиристор откроется сразу, как если бы это был

обычный диод.

Вольтамперная характеристика тиристора, представленная на рис. 12.4,

показывает, что с увеличением тока управления IУ уменьшается напря-

жение включения Uпер тиристора.

Uзсmax

Iвкл

IУ1 = 0

IУ3 > IУ2

Iуд

Imax

IA, А

UА, В

Р

IР

UР

Iобр

Uобр

Uобр.max

Uпер.2

IУ2 > 0

Uпер.3

IУ = IУспр.

Рис. 12.4. Вольтамперная характеристика тиристора

128

При отрицательном потенциале на аноде относительно катода ти-ристор при любых условиях на управляющем электроде открыться не может, т.к. p-n переходы П1 и П3 смещены в обратном направлении, по-этому обратная ветвь вольтамперной характеристики тиристора такая же, как и у обычного диода.

Таким образом, тиристоры представляют собой электронный ключ, который может находиться в открытом или закрытом состоянии. В от-крытом состоянии тиристоры хорошо проводят электрический ток, а в за-крытом состоянии они представляют большое сопротивление для элек-трического тока, протекающего через тиристор.

Работу тиристора, механизм включения и выключения обычно рас-сматривают на примере двухтранзисторной модели тиристо-ра.

Структуру тиристора на рис. 12.1 можно изобразить в виде двух транзисторов разной электропроводности, соединенных между собой так, как показано на схеме рис. 12.5.

а б

Рис. 12.5. Структура (а) и схема (б)

двухтранзисторной модели тиристора

Коллекторный __________ток Iк2 транзистора VT2 является базовым током транзистора VT1, и, наоборот, коллекторный ток Iк1 транзистора VT1 яв-ляется базовым током транзистора VT2. В такой схеме возникает внут-ренняя обратная связь, которая после включения тиристора делает цепь управления неэффективной, так как оба транзистора поддерживают друг друга в открытом состоянии и без цепи управления, т.е. закрыть тиристор по цепи управления невозможно. Поэтому он называется однооперационным тиристором или в зарубежной термино-логии SCR (Silicon Controled Rectifier). Для запирания тиристора

129

необходимо каким-либо способом снизить анодный ток до нуля и удер-

живать его на нулевом уровне в течение времени рассасывания неос-

новных носителей, накопившихся в базах транзисторов VT1 и VT2.

Таким образом, после включения тиристора управляющий элек-

трод теряет свое управляющее свойство. С помощью управляющего

электрода выключить тиристор нельзя. Выключить тиристор можно:

понижением анодного тока ниже тока удержания IУД;

снижением анодного напряжения UA до нуля;

подачей на тиристор обратного напряжения.

О с н о в н ы м и п а р а м е т р а м и тиристора являются:

1) напряжение переключения Uпрк, при котором тиристор переключа-

ется в проводящее состояние;

2) напряжение в открытом состоянии Uос – падение напряжения на

тиристоре в открытом состоянии (Uос = 1 ÷ 3 В).

3) максимальное постоянное напряжение в закрытом состоянии Uзс.max

максимальное значение прямого напряжения, при котором не

происходит включения тиристора (единицы – сотни В);

4) максимальный прямой ток в открытом состоянии – Imax;

5) ток удержания IУД – наименьший рабочий ток, необходимый для

поддержания прибора в открытом состоянии;

6) максимально допустимое обратное напряжение – Uобр.max;

7) максимальная рассеиваемая мощность в открытом состоянии Рmax.

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ

3.1. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В данной лабораторной работе исследуется триодный тиристор с

катодным управлением (рис. 12.6).

R3

330 Ом

V

А

R1

1 кОм

UУЭ

15 В

R2

10 кОм

UA

0…15 В

А

К

УЭ

PA1

А

V

PV1

PV2

ЛA PA2

Рис. 12.6. Электрическая схема исследования тиристора

130

Напряжение и ток в цепи управления тиристора измеряют с помо-щью вольтметра PV1 и амперметра PA1. Напряжение и ток в силовой цепи тиристора (цепь анод-катод) измеряют с помощью вольтметра PV2 и амперметра PA2.

Изменяя ток и напряжение в цепи управления и силовой цепи ти-ристора, необходимо снять вольтамперные характеристики этих цепей. Момент переключения тиристора в проводящее состояние фиксируется с помощью лампочки ЛА или по показаниям амперметра PA2. Также необходимо исследовать различные способы выключения тиристора.

3.2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. Соберите цепь, как показано на рис. 12.6 и представьте для проверки преподавателю.

2. Мультиметр PА1 в цепи управления тиристора включите на предел измерений 2 mA. Мультиметр PА2 в силовой цепи (цепи анод-катод тиристора) на предел измерений 200 mA. Мультиметр PV1 (для измерения напряжения на управляющем электроде тиристора) включите на предел измерений 20 В.

3.2.1. СНЯТИЕ ПРЯМОЙ ВЕТВИ ВОЛЬТАМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ЦЕПИ УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРА

1. Подайте на цепь анод/катод максимальное напряжение UA = 15 В.

2. В цепи управления с помощью сопротивления R1 установите напряжение UУ = 0 В.

3. Увеличивайте с помощью переменного сопротивления R1 напряжение UУ, и измеряйте соответствующие значения тока управле-ния IУ мультиметром РА1. Занесите данные измерений в таблицу 12.1. Заметьте и запишите, при каком напряжении и токе открывается тири-стор (загорается лампочка).

Таблица 12.1

Напряжение и ток в цепи управления тиристора

UУ, В

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,1

1,2

1,3

1,4

1,5

1,6

IУ, мА

131

3.2.2. СНЯТИЕ ПРЯМОЙ ВЕТВИ ВОЛЬТАМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ

СИЛОВОЙ ЦЕПИ ТИРИСТОРА

1. Изменяйте величину напряжения UA от 0 до 15 В (8 ÷ 10 то-чек), и снимайте показания амперметра PA2 и вольтметра PV2 в цепи анод-катод тиристора. Занесите данные измерений в таблицу 12.2.

2. Замкните электрическую цепь управляющего электрода. Уста-новите с помощью потенциометра R1 ток в цепи управления электрода IУ1 и снимите прямую ветвь вольтамперной характеристики тиристора. Результаты измерений занести в таблицу 12.2. Обратите особое внима-ние на момент включения тиристора. Запишите, при каком напряжении открывается тиристор.

3. Установите с помощью потенциометра R1 ток в цепи управле-ния электрода IУ2 и повторите операцию п.2. Результаты измерений за-писать в табл. 12.2. Запишите, при каком напряжении открывается ти-ристор.

Таблица 12.2

Напряжение и ток в силовой цепи тиристора

IУ1 =

Uпр., В

Iпр. , мА

IУ2 =

Uпр., В

Iпр. , мА

3.2.3. ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ ВЫКЛЮЧЕНИЯ ТИРИСТОРА

Убедитесь, что для запирания тиристора необходимо: разорвать цепь питания анод-катод тиристора; кратковременно зашунтировать тиристор; снизить ток в рабочей цепи до значения меньше тока удержания.

Для этого проделайте следующие эксперименты.

1. Снижение напряжения в цепи управления тиристора до нуля не приводит к выключению тиристора:

а) подайте напряжение на цепь анод-катод тиристор UА = 15 В;

132

б) увеличивая с помощью переменного сопротивления R1 напря-жение в цепи управления тиристора UУ, переведите тиристор в откры-тое состояние (загорается лампочка);

в) отключите источник питания цепи управления UУ. Что при этом произошло? Запирается ли открытый тиристор, когда отключается напряжение цепи управления?

2. Для запирания тиристора необходимо разорвать цепь питания анод-катод тиристора:

а) подайте напряжение на цепь анод-катод тиристор UА = 15 В;

б) увеличивая с помощью переменного сопротивления R1 напря-жение в цепи управления тиристора UУ, переведите тиристор в откры-тое состояние (загорается лампочка);

в) выключите напряжение в цепи анод-катод тиристора (опыт проведите при разном напряжении в цепи управления тиристора). Что при этом происходит? Ответ запишите.

3. Для запирания тиристора необходимо кратковременно за-шунтировать тиристор:

а) подайте напряжение на цепь анод-катод тиристор UА = 15 В;

б) увеличивая с помощью переменного сопротивления R1 напря-жение в цепи управления тиристора UУ, переведите тиристор в откры-тое состояние (загорается лампочка);

в) при включенном тиристоре (горит лампочка) с помощью по-тенциометра R1 установите напряжение в цепи управления UУ = 0 В. С помощью соединительного провода зашунтируйте тиристор (крат-ковременно соедините между собой анод и катод тиристора). Что про-изошло после этого? Опыт проведите при разном напряжении в цепи управления.

4. Для запирания тиристора необходимо снизить ток в рабочей цепи до значения меньше тока удержания:

а) подайте напряжение на цепь анод-катод тиристор UА = 15 В;

б) увеличивая с помощью переменного сопротивления R1 напря-жение в цепи управления тиристора UУ, переведите тиристор в откры-тое состояние (загорается лампочка);

в) при включенном тиристоре (горит лампочка) с помощью по-тенциометра R1 установите напряжение в цепи управления UУ = 0 В;

г) предел измерения мультиметра А2 переключите на 200 μА;

д) плавно снижайте напряжение питания в цепи анод-катод тири-стора до тех пор, пока ток нагрузки скачком не упадет до нуля (необхо-димо наблюдать за показаниями мультиметра А2). Последнее значение тока перед этим скачком и есть ток удержания IУД, запишите его значе-ние.

133

3.3. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. По данным таблицы 12.1 постройте график вольтамперной ха-рактеристики цепи управление тиристора Iпр. = f (Uпр.). На графике от-метьте напряжение включения Uвкл и ток включения Iвкл тиристора.

2. По данным таблицы 12.2 постройте график вольтамперной ха-рактеристики цепи анод-катод тиристора Iпр. = f (Uпр.). На графике от-метьте напряжение включения Uвкл и ток включения Iвкл тиристора.

3. Ответьте письменно на вопросы.

Вопрос 1: Запирается ли открытый тиристор, когда отключается напря-жение цепи управления?

Вопрос 2: Что случится с открытым тиристором при размыкании пита-ния в анодной цепи тиристора (рис. 12.6)?

Вопрос 3: Что произойдет с открытым тиристором при его кратковре-менном шунтировании перемычкой в цепи (рис. 5)?

4. ВОПРОСЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И САМОКОНТРОЛЯ СТУДЕНТОВ

1. Чем отличается динистор от тиристора?

2. Сколько устойчивых состояний имеет тиристор? Чем характеризу-ются эти состояния?

3. Как изменяется анодное напряжение тиристора при его переключе-нии в открытое состояние и наоборот?

4. Каково назначение управляющего электрода в тринисторе?

5. Сохранится ли открытое состояние тиристора при снятии сигнала управления?

6. Какие основные параметры тиристора?

7. Как выглядит вольтамперная характеристика тиристора?

8. Как можно выключить тиристор?

9. Где применяются динисторы и тиристоры?

134

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 13.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Ознакомление с устройством и принципом работы полупроводни-

ковых однофазных выпрямителей, экспериментальное исследование их

свойств и определение основных параметров.

2. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. СТРУКТУРА И НАЗНАЧЕНИЕ ВЫПРЯМИТЕЛЯ

Для питания радиоэлектронной аппаратуры, устройств автоматики

и вычислительной техники требуется постоянное напряжение различ-

ных значений. Наиболее распространенным источником электрической

энергии является промышленная сеть переменного напряжения часто-

той 50 Гц. Для преобразования переменного синусоидального напряже-

ния сети в постоянное напряжение применяют выпрямители.

Электрическая схема, предназначенная для преобразования энер-

гии переменного тока в энергию постоянного тока, называется в ы -

п р я м и т е л е м . Выпрямление переменного тока производится при по-

мощи электрических вентилей (полупроводниковых диодов), обладаю-

щих односторонней проводимостью.

Выпрямительное устройство обычно имеет следующую структуру

(рис. 13.1).

Трансформатор Выпрямитель

Сглаживающий

фильтр

~ Сеть RH

Рис. 13.1. Структура выпрямителя

Схема любого выпрямителя содержит три основных элемента:

с и л о в о й т р а н с ф о р м а т о р – устройство для понижения или

повышения напряжения питающей сети и гальванической развязки

сети и нагрузки;

в ы п р я м и т е л ь н ы й э л е м е н т (вентиль), имеющий односторон-

нюю проводимость, – для преобразования переменного напряже-

ния в пульсирующее;

ф и л ь т р – для сглаживания пульсирующего напряжения.

Выпрямительное устройство, в зависимости от схемы соединения и

135

назначения, может быть однофазное и трехфазное, управляемое и не-

управляемое.

Для устройств электроники, автоматики, сигнализации, контроля и

т.п. требуются небольшие мощности. Поэтому для их питания обычно

применяются однофазные выпрямители с диодами малой и средней

мощности. Для выпрямления однофазного переменного тока применя-

ются как однополупериодные, так и двухполупериодные схемы выпря-

мителей.

2.2. ОДНОПОЛУПЕРИОДНОЕ ВЫПРЯМЛЕНИЕ

Схема однополупериодного выпрямителя переменного тока приве-

дена на рис.13.2.

Рис. 13.2. Однополупериодный выпрямитель

На рис. 13.2 обозначены: U1 – напряжение на первичной обмотке

трансформатора; U2 – напряжение на вторичной обмотке трансформа-

тора; UН – напряжение на нагрузке RH; iH – ток, протекающий через

нагрузку.

В положительный полупериод переменного напряжения в точке а

будет положительный потенциал относительно точки b. Диод VD будет

открыт, и через него проходит ток iH. В результате на нагрузке RH будет

создаваться падение напряжения H H H U i R , практически равное

напряжению U2, т.к. диод в проводящем состоянии обладает низким со-

противлением.

Когда начинается отрицательный полупериод, в точке а будет от-

рицательный потенциал относительно точки b. Диод VD будет закрыт, и

через нагрузку ток не протекает, следовательно, iH = 0 и выходное

напряжение нулю. Из изложенного ясно, что ток и напряжение на

нагрузке является п у л ь с и р у ю щ и м и , причем за период T синусои-

136

дального переменного напряжения в нагрузку проходит только одна по-

луволна.

Таким образом, через диод и нагрузочный резистор при однополу-

периодном выпрямлении проходит пульсирующий ток в виде импуль-

сов, длящихся полпериода и разделенных промежутком также в полпе-

риода. Поэтому временные диаграммы тока и напряжения на нагрузке

выглядят так, как показано на рис. 13.3.

Рис. 13.3. Временные диаграммы напряжения и тока

при однополупериодном выпрямлении переменного тока

Величину пульсаций тока или напряжения оценивают к о э ф ф и -

ц и е н т о м п у л ь с а ц и й р – отношение амплитуды первой гармоники

тока или напряжения к постоянной составляющей тока или напряжения.

1 1

0 0

m m I U

p

I U

. (13.1)

Из разложения пульсирующего напряжения в ряд Фурье

2 1 1 1

( ) cosω cos ω cos 4ω ...

2 4 3 15 í m u t U t t t (13.2)

следует:

а) среднее значение выпрямленного напряжения U0 равно

0

m U

U ; (13.3)

б) амплитуда первой гармоники напряжения U1m

1 2

m

m

U

U ; (13.4)

в) коэффициент пульсаций

137

1

0

1,57

2

m U

p

U

. (13.5)

Недостатками однополупериодной схемы выпрямления являются:

высокий уровень пульсации (КП ≈ 1,57) выпрямленного напряже-

ния;

низкий КПД, т.к. выпрямитель работает только на одной (положи-

тельной) полуволне переменного напряжения;

значительно больший, чем в других схемах, вес трансформатора и

нерациональное использование в трансформаторе меди и стали.

Данная схема выпрямителя применяется крайне редко и только в

тех случаях, когда выпрямитель используется для питания цепей с низ-

ким током потребления.

2.3. ДВУХПОЛУПЕРИОДНОЕ ВЫПРЯМЛЕНИЕ

Для снижения коэффициента пульсаций выпрямленного напряже-

ния p и повышения к.п.д. выпрямителя применяются д в у х п о л у п е -

р и о д н ы е с х е м ы в ы п р я м л е н и я .

Наиболее часто применяется в самых различных устройствах м о -

с т о в а я с х е м а в ы п р я м и т е л я , показанная на рис. 13.4.

Рис. 13.4. Схема двухполупериодного мостового выпрямителя

В положительный полупериод точка а имеет положительный по-

тенциал, а точка b − отрицательный. Вследствие этого диоды VD2 и

VD4 будут открыты и по ним протекает ток i1, который является и током

нагрузки IH, создавая на нагрузке напряжение UН. При отрицательном

полупериоде потенциал точки а будет отрицательным, а точки b − по-

ложительным. Диоды VD3 и VD1 открываются (VD2 и VD4 закрывают-

ся), что приводит к протеканию тока i2, который в нагрузочном сопро-

138

тивлении RH имеет такое же направление, что и ток i1.

Таким образом, в положительный и в отрицательный полупериоды

ток через нагрузку имеет одинаковое направление, но изменяется по ве-

личине, т.е. п у л ь с и р у е т . Вид выпрямленного напряжения при двух-

полупериодном выпрямлении представлен на рис. 13.5.

Из графика выпрямленного напряжения (рис. 13.5) видно, что при

двухполупериодном выпрямлении частота пульсаций на выходе выпря-

мителя вдвое превышает частоту входного питающего напряжения, то-

гда как при однополупериодном выпрямлении частота пульсаций сов-

падает с частотой питающего напряжения (рис. 13.3).

Из разложения в ряд Фурье напряжения, выпрямленного двухполупери-

одной схемой

4 1 1 1 1

( ) cos2ω cos 4ω cos 6ω ...

2 3 15 35 H m u t U t t t , (13.6)

вытекает, что по сравнению с однополупериодным выпрямлением:

а) среднее значение выпрямленного напряжения U0 в два раза больше

0

2 m U

U ; (13.7)

б) амплитуда первой гармоники напряжения U1m

1

4

3

m

m

U

U ; (13.8)

в) а коэффициент пульсаций меньше

1

0

2

0,67

3

m U

p

U

. (13.9)

Рис. 13.5. Временные диаграммы напряжения и тока

при двухполупериодном выпрямлении переменного тока

139

В двухполупериодной мостовой схеме (рис. 13.4) ток через нагруз-

ку в оба полупериода протекает в одном направлении, причем ток во

вторичной обмотке трансформатора также протекает в течение обоих

полупериодов и является синусоидальным, что исключает дополни-

тельное намагничивание сердечника.

Из рисунков 13.3 и 13.5 видно, что пульсации выпрямленного

напряжения довольно значительны. Они могут быть уменьшены с по-

мощью с г л а ж и в а ю щ е г о ф и л ь т р а .

Простейшим фильтром является конденсатор, который включается

параллельно нагрузке. В положительный полупериод конденсатор за-

ряжается до максимального входного напряжения Umax и затем разряжа-

ется через нагрузку RН. Емкость конденсатора выбирают такой величи-

ны, чтобы для частоты пульсаций ωП реактивное сопротивление кон-

денсатора C X было много меньше сопротивления нагрузки RН. Тогда

постоянная времени разряда цепи раз. ф H C R значительно больше пе-

риода пульсаций, конденсатор разряжается сравнительно медленно и

напряжение на нем уменьшается незначительно. Это приводит к увели-

чению среднего значения выпрямленного напряжения U0 на нагрузоч-

ном резисторе RH и к снижению коэффициента пульсаций р.

На рис. 13.6 иллюстрируется влияние накопительного конденсато-

ра на форму выходного напряжения однополупериодного выпрямите-

лей. Выходное напряжение содержит значительную по величине посто-

янную составляющую, на которую наложены малые пульсации напря-

жения. Амплитуда этих пульсаций определяется постоянной времени

τраз. для используемого конденсатора Сф и нагрузочного резистора RН.

Поэтому конденсатор должен иметь значительную емкость – от 100 до

5000 мкФ (и даже больше).

Umax

U0

Разряд Сф

Заряд Сф

U

t

UH(t)

Рис. 13.6. Влияние конденсатора на форму выпрямленного

синусоидального напряжения

140

Эффективность фильтров оценивается коэффициентом сглажива-

ния

вх

вых

p

q

р

, (13.10)

где рвх и рвых – коэффициенты пульсаций напряжений, соответственно,

на входе и выходе фильтра.

2.4. НАПРЯЖЕНИЕ ХОЛОСТОГО ХОДА

Н а п р я ж е н и е м х о л о с т о г о х о д а называют величину выход-

ного напряжения выпрямителя при нулевом токе нагрузки, т.е. при от-

ключенной нагрузке. На рис. 13.7 показан однополупериодный выпря-

митель без нагрузочного резистора.

VD

~ U С

Umax

Постоянное

напряжение

0 В

Umax

Рис. 13.7. Напряжение холостого хода

равно максимальному входному напряжению

Накопительный конденсатор Сф заряжается, как обычно, до мак-

симального значения входного напряжения. Однако, если нагрузка не

подключена, этот конденсатор сохраняет свой заряд и обеспечивает тем

самым постоянное значение выходного напряжения (равное максималь-

ному входному напряжению) без каких-либо пульсаций. Таким образом,

напряжение холостого хода UXX – это максимально возможное напряже-

ние источника питания.

2.5. ВНЕШНЯЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВЫПРЯМИТЕЛЯ

Увеличение выходного тока выпрямителя приводит к уменьше-

нию его выходного напряжения. Это связано с тем, что выпрямитель

имеет свое внутреннее сопротивление, представляющее собой сумму

сопротивлений обмотки трансформатора, выпрямительных диодов и ре-

зистора или дросселя сглаживающего фильтра.

Рис. 13.8 иллюстрирует изменение напряжения на выходе источ-

ника питания при изменении тока нагрузки. Зависимость среднего зна-

чения выходного напряжения UH от среднего значения выходного тока

141

IH называется в н е ш н е й или н а г р у з о ч н о й характеристикой выпря-

мителя.

Выходное напряжение максимально, когда ток нагрузки равен ну-

лю, т.е. при холостом ходе. Напряжение на выходе источника питания,

которое он обеспечивает при установленной полной нагрузке или но-

минальном (полном) токе нагрузки, называется н о м и н а л ь н ы м в ы -

х о д н ы м н а п р я ж е н и е м Uном. источника питания.

UXX

Uном.

Iном.

Uвых, В

В

IH, А

0 2 4 6 10 12 14

5

15

25

8

Рис. 13.8. Внешняя характеристика выпрямителя

2.6. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ

Основными характеристиками выпрямителей являются:

1. Н о м и н а л ь н о е н а п р я ж е н и е п о с т о я н н о г о т о к а U0

(UСР) – среднее значение выпрямленного напряжения. Обычно указыва-

ется напряжение до фильтра U0 и напряжение после фильтра (или от-

дельных его звеньев – U). Определяется значением напряжения, необ-

ходимым для питаемых выпрямителем устройств.

2. Н о м и н а л ь н ы й в ы п р я м л е н н ы й т о к I0 – среднее значе-

ние выпрямленного тока, т.е. его постоянная составляющая, заданная

техническими требованиями. Определяется результирующим током

всех цепей, питаемых выпрямителем.

3. В х о д н о е н а п р я ж е н и е Uвх. – напряжение сети переменно-

го тока, питающей выпрямитель. Стандартное значение этого напряже-

ния для бытовой сети – 220 вольт с допускаемыми отклонениями не бо-

лее 10 %.

4. П у л ь с а ц и я – переменная составляющая напряжения или то-

ка на выходе выпрямителя. Это качественный показатель выпрямителя.

142

5. Ч а с т о т а п у л ь с а ц и й f – частота наиболее резко выражен-

ной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе вы-

прямителя. Для самой простой – днополупериодной схемы выпрямителя

частота пульсаций равна частоте питающей сети. Двухполупериодные,

мостовые схемы и схемы удвоения напряжения дают пульсации, часто-

та которых равна удвоенной частоте питающей сети. Многофазные схе-

мы выпрямления имеют частоту пульсаций, зависящую от схемы вы-

прямителя и числа фаз.

6. К о э ф ф и ц и е н т п у л ь с а ц и й р – отношение амплитуды

наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения

или тока на выходе выпрямителя к среднему значению напряжения или

тока

1

0

100% m U

p

U

. (13.11)

Различают коэффициент пульсаций на входе фильтра (p0 %) и ко-

эффициент пульсаций на выходе фильтра (p %). Допускаемые значения

коэффициента пульсаций на выходе фильтра определяются характером

нагрузки.

7. Коэффициент фильтрации (коэффициент сглаживания) – отноше-

ние коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пуль-

саций на выходе фильтра вх вых q p p . Для многозвенных фильтров ко-

эффициент фильтрации равен произведению коэффициентов фильтра-

ции отдельных звеньев.

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ

3.1. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В данной лабораторной работе исследуются однополупериодный и

мостовой однофазные выпрямители.

3.2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

3.2.1. ИЗУЧЕНИЕ ОДНОПОЛУПЕРИОДНОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ

1. Соберите схему для исследования однополупериодного вы-

прямителя, как показано на рис. 13.9, и предоставьте для проверки

преподавателю.

2. Выключатели SA1 и SA2 переведите в положение «ВЫКЛ».

Переменное напряжение Uвх = 6,3 В на выпрямитель подайте от источ-

ника напряжения БИСЭР.

3. Включите питание стенда.

143

4. Подключите осциллограф к гнездам ab. Подбирая длитель-ность и чувствительность осциллографа, установить на экране изобра-жение двух-трех периодов сигналов входного напряжения. Зарисовать в масштабе данное изображение в отчет.

5. Подключите осциллограф к гнездам cd. Подбирая длитель-ность и чувствительность осциллографа, установить на экране изобра-жение двух-трех периодов сигналов выходного напряжения. Зарисуйте в масштабе данное изображение в отчет.

6. Присоедините к схеме конденсатор фильтра С1. Для этого включите тумблер SA1. Зарисуйте в масштабе получившееся изображе-ние на экране осциллографа в отчет.

Рис. 13.9. Схема для исследования однополупериодного выпрямителя

7. Присоедините к схеме выпрямителя второй конденсатор филь-тра С2. Для этого включите тумблер SA2. Зарисуйте в масштабе полу-чившееся изображение на экране осциллографа в отчет.

3.2.2. ИЗУЧЕНИЕ ДВУХПОЛУПЕРИОДНОГО МОСТОВОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ

1. Соберите схему для исследования двухполупериодного вы-прямителя, как показано на рис. 13.10, и предоставьте для проверки преподавателю.

2. Выключатели SA1 и SA2 переведите в положение «ВЫКЛ». Переменное напряжение Uвх = 6,3 В на выпрямитель подайте от источ-ника напряжения БИСЭР.

3. Подключите осциллограф к гнездам ab. Подбирая длитель-ность и чувствительность осциллографа, установить на экране изобра-жение двух-трех периодов сигналов входного напряжения. Зарисовать в масштабе данное изображение в отчет.

144

4. Подключите осциллограф к гнездам cd. Подбирая длитель-ность и чувствительность осциллографа, установить на экране изобра-жение двух-трех периодов сигналов выходного напряжения. Зарисовать в масштабе данное изображение в отчет.

5. Присоедините к схеме конденсатор фильтра С1 (для этого включите тумблер SA). Зарисуйте в масштабе получившееся изображе-ние на экране осциллографа в отчет.

6. Присоедините к схеме выпрямителя второй конденсатор филь-тра С2 (для этого включите тумблер SA2). Зарисуйте в масштабе полу-чившееся изображение на экране осциллографа в отчет.

Рис. 13.10. Схема для исследования двухполупериодного выпрямителя

7. Вместо осциллографа в гнезда cd вставьте измерительные провода вольтметра постоянного тока или мультиметра, включенного на измерение постоянного тока. В гнезда ab подключите вольтметр пе-ременного тока или мультиметр, включенный на измерение переменно-го тока. Тумблера SA1 и SA2 выключить.

8. Временно отключив нагрузку RH, измерить ток с помощью ам-перметра РА, измерить с помощью мультиметра переменное напряже-ние Uвх и постоянное напряжение UН. Результаты измерений записать в отчет.

3.2.3. СНЯТИЕ ВНЕШНЕЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЫПРЯМИТЕЛЯ

1. Подключить к схеме двухполупериодного выпрямителя пере-менное нагрузочное сопротивление R = 470 Ом, расположенное на пе-редней панели источника питания БИСЭР (рис. 13.11). Сопротивление включить средним и любым из крайних выводов.

2. Изменяя с помощью переменного сопротивления RH ток от 15 mA до 100 mA, снять показания приборов РА, PV для 810 точек. Полу-ченные данные занести в таблицу 13.1.

145

Рис. 13.11. Схема для снятия внешней характеристики выпрямителя

Таблица 13.1

Экспериментальные данные для построения внешней характеристики

двухполупериодного выпрямителя

п/п

IH, A UН , B KП

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

3.3. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. На полученных осциллограммах определить амплитуду пуль-

саций Umax, пульсации напряжения ΔU, период Т и частоту f пульсиру-

ющего напряжения.

2. Рассчитать коэффициент пульсаций p двухполупериодного

выпрямителя по формуле

вх

H

U U

p

U U

. (13.12)

3. По данным таблицы 13.1. построить:

а) внешнюю характеристику генератора ( ) H H U f I ;

146

б) зависимость ( ) П H К f I .

4. Сделайте вывод о значении фильтра для получения постоян-

ного напряжения и о влиянии величины емкости конденсатора фильтра

на величину пульсаций выпрямленного напряжения.

4. ВОПРОСЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И САМОКОНТРОЛЯ СТУДЕНТОВ

1. Что такое выпрямитель? Для чего они применяются?

2. Объяснить принцип работы одно- и двухполупериодных выпрями-

телей.

3. Сравнить преимущества и недостатки одно- и двухполупериодных

выпрямителей.

4. Как находиться коэффициент пульсаций в выпрямителях? Его фи-

зический смысл.

5. Дать определение внешней (нагрузочной) характеристики выпря-

мителя.

6. Почему при увеличении тока нагрузки уменьшается выходное

напряжение?

7. Какие существуют схемы выпрямителей? Приведите классифика-

цию выпрямителей.

8. Назовите основные параметры выпрямителей.

147

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 14.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СТАБИЛИЗАТОРА НАПРЯЖЕНИЯ

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Ознакомиться с устройством и принципом работы параметрическо-го стабилизатора напряжения, экспериментально исследовать его свой-ства:

1) исследовать зависимость выходного напряжения и тока стабилит-рона от входного напряжения в цепи параметрического стабилиза-тора напряжения;

2) исследовать влияние тока нагрузки на величину тока стабилитрона;

3) исследовать стабилизирующее действие стабилитрона в случае вы-прямленного напряжения с заметными пульсациями;

4) определить основные параметры стабилизатора.

2. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ

Постоянное напряжение, получаемое с выхода выпрямителя, вследствие нестабильности входного переменного напряжения или из-менения сопротивления нагрузки, может значительно изменять свою величину. Однако для нормальной работы электроаппаратуры необхо-димо, чтобы величина напряжения питания была достаточно стабиль-ной. Такое требование достигается включением на выходе выпрямите-ля стабилизатора напряжения – электронного устройства, пред-назначенного для поддержания неизменным напряжения на нагрузке.

Рис. 14.1. Схема параметрического стабилизатора напряжения

Наиболее простым и вместе с тем весьма распространенным типом стабилизатора является параметрический стабилизатор

148

н а п р я ж е н и я на полупроводниковом стабилитроне (рис. 14.1).

Схема такого стабилизатора представляет собой делитель напря-

жения, состоящий из резистора Rб и стабилитрона VD. Нагрузка Rн

включается параллельно стабилитрону.

Основным свойством стабилитрона является наличие на обратной

ветви вольтамперной характеристики участка, на котором напряжение

практически не зависит от тока.

60

Iобр., мкА

Р

Iпр., мА

10

20

30

40

50

1 2

50

100

150

200

Uобр., В 8 6 4 2 Uпр., В

Uпроб. = Uст.

Iст.min.

Iст.max.

А

Б

Рис. 14.2. Вольтамперная характеристика стабилитрона

Из вольтамперной характеристики стабилитрона (рис. 14.2) видно,

что при обратных напряжениях, меньших чем Uст., ток через стабилит-

рон практически не протекает. При напряжении, равном Uст., стабилит-

рон открывается и через него начинает протекать электрический ток.

При включении стабилитрона на прямое напряжение он работает как

обыкновенный диод. В стабилитроне используется только обратная

ветвь характеристики. Участок АБ, ограниченный минимальным и мак-

симальным током стабилизации, называется р а б о ч и м у ч а с т к о м

стабилитрона. Свойства стабилитронов делают их пригодными для ста-

149

билизации и ограничения напряжений.

Чтобы избежать перегрузки, последовательно со стабилитроном

включают балластный резистор Rб. Величина его определяется следую-

щим образом:

вх ст

б

ст н

U U

R

I I

, (14.1)

где Uвх – приложенное рабочее напряжение;

Uст – напряжение стабилизации стабилитрона;

Iст – допустимый ток стабилизации;

Iн – ток в резисторе нагрузки Rн.

П р и н ц и п д е й с т в и я параметрического стабилизатора основан

на изменении параметров нелинейного элемента (стабилитрона), кото-

рое заключается в том, что в пределах некоторого участка вольтампер-

ной характеристики стабилитрона напряжение на нем не зависит от то-

ка.

В соответствии со вторым законом Кирхгофа

вх ст вх б U U I R . (14.2)

При изменении входного напряжения Uвх напряжение на стабилит-

роне Uст и, следовательно, на нагрузке изменяться почти не будет. По-

яснить это можно следующим образом. Предположим, что напряжение

Uвх несколько увеличилось (линия нагрузки 1 перейдет __________в линию нагруз-

ки 2). В соответствии с ходом вольтамперной характеристики стабилит-

рона увеличение Uст вызовет резкое увеличение Iст, а следовательно, и

увеличение падения напряжения на сопротивлении Rб. Напряжение же

на стабилитроне остается почти без изменения (рис. 14.3)

вх вх ст ст б ст б U U U I R I R . (14.3)

Таким образом, практически все приращение входного напряжения

оказывается приложенным к балластному сопротивлению Rб.

Основным преимуществом параметрических стабилизаторов явля-

ется простота конструкции и высокая надежность работы. Недостатком

сравнительно низкий коэффициент стабилизации и ограниченные зна-

чения тока нагрузки.

Основными параметрами стабилизаторов напряжения являются

следующие:

коэффициент стабилизации по входному напряжению

вх вх

ст

вых вых

U U

k

U U

; (14.4)

выходное сопротивление стабилизатора

150

вых

вых

н

U

R

I

; (14.5)

коэффициент полезного действия стабилизатора ηст – это отноше-

ние мощности, отдаваемой в нагрузку Рн, к мощности, потребляе-

мой от входного источника напряжения Рвх

н

ст

вх

Р

Р

. (14.6)

Uобр

Iобр

Iст∙Rст

0

Uст

1

ΔUст

2

Рис. 14.3. Принцип стабилизации напряжения

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ

3.1. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

В лабораторной работе необходимо изучить устройство и исследо-

вать работу параметрического стабилизатора напряжения. Для этой це-

пи с помощью вольтметров PV1 и PV2 измеряется входное и выходное

напряжение стабилизатора, а также ток, протекающий через стабилит-

рон при разных значениях входного напряжения.

С помощью осциллографа необходимо исследовать стабилизиру-

ющее действие стабилитрона в случае выпрямленного напряжения с за-

метными пульсациями. Для этого к выходу однополупериодного вы-

прямителя нужно подключить стабилизатор напряжения и определить

по осциллограммам пульсации напряжения на входе и выходе стабили-

затора.

151

3.2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

Исследование зависимости выходного напряжения и тока

стабилитрона от входного напряжения стабилизатора напряжения

1. Соберите цепь согласно схеме (рис. 14.4). Устанавливая по-

следовательно величины входного напряжения постоянного тока по

табл. 14.1, измерьте соответствующие выходные напряжения и токи

стабилитрона посредством мультиметров. Результаты занесите в табли-

цу 14.1.

Uпост=

0…15 В

R

330 Ом

Uвх Uвых

РА

VD

V

А

V РV2

РV1

Рис. 14.4. Схема для исследования зависимостей

Uвых = f(Uвх) и Iвых = f(Uвх)

Таблица 14.1

Измеренные значения зависимостей Uвых = f(Uвх) и Iвых = f(Uвх)

Исследование влияния тока нагрузки IН на величину

тока стабилитрона

1. Соберите цепь согласно схеме (рис. 14.5) и представьте для

проверки преподавателю.

2. Устанавливая последовательно сопротивления нагрузки 10;

4,7; 2,2; 1; 0,68; 0,47 кОм, измерьте посредством мультиметра соответ-

ствующие значения токов Iст и Iн и занесите их в табл. 14.2.

Uвх, В 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Uвых, В

Iст, мA

152

Uпост=

0…15 В

R

330 Ом

Uвх

РА1

VD

А A

V

РА2

РV1

Rн

Iн

Iст

Рис. 14.5. Схема для исследования влияния тока нагрузки IН

Таблица 14.2

Измеренные значения влияния тока нагрузки IН

RН, кОм 10 4,7 2,2 1,0 0,68 0,47

IН, мА

Iст, мА

Сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения

1. Соберите цепь согласно схеме (рис. 14.6) и представьте для

проверки преподавателю.

U = 24 В

f = 50 Гц

R

330 Ом

Uвх

VD

V

РV1

a

C

10 мкФ V

РV2

Uвых

b

c

d

Рис. 14.6. Схема для исследования сглаживания пульсаций

2. Включите и настройте осциллограф.

3. Перенесите осциллограммы входного и выходного напряже-

ний на график (рис. 14.7).

153

0 20 40 60 80 мс

1

2

3

4

дел uвх, uвых............В/дел

Рис. 14.7. Осциллограммы входного и выходного напряжений

4. Перенесите осциллограммы входного Uвх и выходного Uвых

напряжения без постоянных составляющих на график (рис. 14.8), ука-

жите масштабы.

1

2

3

4

дел uвх, (...........В/дел)

uвых.(...........мВ/дел)

0 20 40 60 80 мс

-1

-2

-3

-4

-5

Рис. 14.8. Осциллограммы входного и выходного напряжения

без постоянных составляющих

3.3. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. По экспериментальным данным таблицы 14.1 постройте на

графике (рис. 14.9) кривые зависимости выходного напряжения Uвых от

входного Uвх, а также зависимости выходного тока Iвых от входного

напряжения Uвх.

2. По измеренным значениям таблицы 14.2 постройте кривую за-

висимости тока Iст от тока нагрузки Iн.

3. Пользуясь осциллограммами рис. 14.7 и рис. 14.8, определите:

а) величину пульсации входного напряжения Uвх за сглаживающим

конденсатором;

б) величину пульсации выходного напряжения Uвых за стабилитро-

ном;

154

U

ВЫХ

I

СТ

Рис. 14.9. Графики зависимостей Uвых = f(Uвх) и Iвых = f(Uвх)

в) величину к о э ф ф и ц и е н т а с г л а ж и в а н и я q (абсолютного ко-

эффициента стабилизации)

вх

вых

U

q

U

; (14.7)

г) величину относительного коэффициента стабилизации S

вх вых вых

вых вх вх

U U U

S q

U U U

. (14.8)

4. Определите коэффициент стабилизации

вх вх

ст

вых вых

U U

k

U U

. (14.9)

4. ВОПРОСЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И САМОКОНТРОЛЯ СТУДЕНТОВ

1. Для чего применяются стабилизаторы напряжения?

2. Как называется напряжение, при котором стабилитрон становится

проводящим?

3. Что произойдет при изменении полярности стабилитрона в цепи

(рис. 14.4)?

4. Какова величина напряжения стабилизации Uст?

5. Каков максимальный обратный ток стабилитрона Iст ?

6. При каких условиях выходное напряжение параметрического ста-

билизатора остается постоянным?

7. Нарисовать схему параметрического стабилизатора напряжения,

объяснить назначение элементов цепи.

8. Объясните принцип работы стабилизатора.

9. Назовите основные параметры стабилизатора напряжения.

155

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 15

ИНВЕРТИРУЮЩИЙ И НЕИНВЕРТИРУЮЩИЙ УСИЛИТЕЛИ

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Ознакомиться с операционным усилителем. Исследовать инверти-рующий и неинвертирующий усилитель на операционном усилителе:

1) изучить влияние сопротивления нагрузки на выходное напряжение;

2) исследовать зависимость выходного напряжения от входного при различных значениях сопротивления отрицательной обратной свя-зи.

2. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЯ

Операционный усилитель (ОУ) – универсальный функцио-нальный элемент в интегральном исполнении (серии К140, К544,К533, КР1040УД, КР1435 и др.), который широко используется для усиления, формирования и преобразования сигналов различного назначения как в аналоговой, так и в цифровой технике.

Наименование «операционный усилитель» обусловлено тем, что, прежде всего, такие усилители получили применение для выполнения операций над сигналами: суммирование, дифференцирование, интегри-рования, инвертирования и т.д.

По размерам и цене операционные усилители практически не отли-чаются от отдельного транзистора. Благодаря идеальным характеристи-кам ОУ реализация различных электронных схем на их основе оказыва-ется значительно проще, чем на дискретных элементах, поэтому ОУ по-чти полностью вытеснили отдельные транзисторы в качестве элементов схем во многих областях аналоговой схемотехники.

На принципиальных схемах операционный усилитель обозначается с выводами для подключения питания, вывод частотной коррекции и др. (рис. 15.1).

ОУ в интегральном исполнении помещают в герметизированный корпус, который имеет такой же вид, как и у обычных транзисторов, но со значительно большим числом выводов (1214). Кроме шести основ-ных выводов (два входа, выход, «земля», источник питания), в схеме ОУ предусматривают ряд других (вспомогательных и дополнительных) выводов, предназначенных для коррекции характеристик ОУ, а также для использования части интегральной схемы.

156

Входы

Н

И

Выход

+UП

UП

Рис. 15.1. Условное обозначение операционного усилителя

Операционный усилитель имеет два входа: и н в е р т и р у ю щ и й

(И) и н е и н в е р т и р у ю щ и й (Н). При подаче сигнала на неинвертиру-

ющий вход выходной сигнал совпадает по знаку (фазе) с входным сиг-

налом. Если же сигнал подан на и н в е р т и р у ю щ и й вход, то выходной

сигнал имеет обратный знак (противоположный по фазе). При подаче

сигналов на оба входа сигнал на выходе равен

( ) 2 1 U k U U диф , (15.1)

где k → ∞ коэффициент усиления операционного усилителя;

U2 и U1 – сигналы на неинвертирующем и инвертирующем входах

соответственно. Инвертирующий вход часто используется для введения

в операционный усилитель внешних обратных связей.

Обозначим напряжения на выводах операционного усилителя

(рис. 15.2).

Н

И

Выход

Uвых

Uдиф

U1

U2

Рис. 15.2. Напряжения на выходах ОУ

Напряжение Uдиф между инвертирующим и неинвертирующим

входом называют д и ф ф е р е н ц и а л ь н ы м н а п р я ж е н и е м (д и ф ф е -

р е н ц и а л ь н ы м с и г н а л о м ). Ясно, что

U U U U U диф 2 1 . (15.2)

157

Операционные усилители рассчитаны на питание от двухполярного

источника напряжения от ±5 до ±15 вольт. Положительный вывод ис-

точника должен обеспечивать от +5 до +15 вольт по отношению к зем-

ле, а отрицательный от –5 до –15 вольт по отношению к земле. Это поз-

воляет выходному напряжению изменяться в сторону положительных и

отрицательных значений по отношению к земле. При рассмотрении

теории ОУ выводы питания не указываются.

Нормальный режим работы операционного усилителя – это режим

работы с о б р а т н о й с в я з ь ю . Операционный усилитель почти всегда

охвачен глубокой отрицательной обратной связью, свойства которой и

определяют свойства схемы с ОУ. Принцип введения обратной связи

иллюстрируется на рис. 15.3.

Усилитель

КU

Цепь обратной связи

β

β

Uвх Uдиф Uвых

Рис. 15.3. Принцип отрицательной обратной связи

Часть выходного напряжения возвращается через цепь обратной

связи к входу усилителя. Если, как это показано на рис. 15.3, напряже-

ние обратной связи вычитается из входного напряжения, обратная связь

называется о т р и ц а т е л ь н о й .

В простейшем случае цепь обратной связи представляет собой ре-

зистивный делитель напряжения. При этом схема с ОУ работает как ли-

нейный усилитель, коэффициент усиления которого определяется толь-

ко коэффициентом ослабления цепи обратной связи. Если в качестве

цепи обратной связи применяется RC–цепь, то образуется активный

фильтр. Наконец, включение в цепь обратной связи ОУ диодов и тран-

зисторов позволяет реализовать нелинейные преобразования сигналов с

высокой точностью.

Универсальность ОУ выдвигает ряд требований к его электриче-

ским параметрам, которые приближают его к понятию «идеальный уси-

литель»:

158

1. В связи с тем, что ОУ должен хорошо работать от различных

источников сигналов, внутреннее сопротивление которых может иметь

величину, изменяющуюся в широких пределах, входное сопротивление

ОУ должно быть большим (RВХ → ∞).

2. Так как выходной сигнал ОУ также поступает на устройства с

очень разным входным сопротивлением, выходное сопротивление

должно быть низким (RВЫХ → 0).

3. Также необходимо, чтобы ОУ обладал большим коэффициен-

том усиления и высокой стабильностью.

4. Необходим низкий уровень шумов и дрейфа нуля.

5. Широкая полоса пропускания и плоская АЧХ.

Для выполнения всех указанных требований ОУ содержит минимум

три каскада: входной, промежуточный и выходной. Каждый каскад является

усилителем со своими характерными особенностями. На рис. 15.4 изображе-

на блок-схема операционного усилителя.

Выход

Дифференциалный

усилитель

Усилитель

напряжения

Выходной

усилитель

Вход

Uпит

+ Uпит

Рис. 15.4. Блок-схема операционного усилителя

Входной каскад – это дифференциальный усилитель. Он позволяет

операционному усилителю реагировать только на разность входных

сигналов. Амплитудно-частотная характеристика дифференциального

усилителя обеспечивает усиление от области низких частот до постоян-

ного тока. Это означает, что дифференциальный усилитель может уси-

ливать не только низкочастотные сигналы переменного тока, но и сиг-

налы постоянного тока. Этот усилитель обладает большим входным со-

противлением, малым уровнем дрейфа нуля, большой линейностью ам-

плитудной характеристики и широкой полосой пропускания.

Промежуточный каскад – это усилитель напряжения с высоким

коэффициентом усиления. Он обеспечивает большую часть усиления

сигнала по напряжению и сдвиг уровня постоянного напряжения.

Выходной каскад – это усилитель мощности. Он используется для

усиления сигнала, а также для того, чтобы операционный усилитель

159

имел низкое выходное сопротивление и широкую полосу пропускания.

Входное сопротивление операционного усилителя очень велико

(Rвх → ∞), поэтому входной ток при расчете считается равным нулю.

Выходное сопротивление операционного усилителя очень мало

(Rвых → 0), поэтому ток нагрузки усилителя (выходной ток) практически

не влияет на выходное напряжение.

Операционные усилителя представляют собой широкополосные

усилители напряжения постоянного тока, которые в определенном ча-

стотном диапазоне усиливают также и напряжения переменного тока.

Поэтому они применяются в самых разнообразных схемах электроники

и автоматики. Операционные усилители используются в схемах усили-

телей, фильтров, интегрирующих и дифференцирующих цепей и других

устройств.

В данной лабораторной работе исследуются инвертирующий и не-

инвертирующий усилители на ОУ.

И н в е р т и р у ю щ и й у с и л и т е л ь представляет собой устройство,

которое преобразует входное напряжение в выходное напряжение п р о -

т и в о п о л о ж н о й п о л я р н о с т и . В случае синусоидального напряже-

ния образуется фазовременной сдвиг 180 0 между входным и выходным

сигналом. Инвертирующий усилитель может быть использован для уси-

ления или ослабления входного сигнала. Его принципиальная схема

показана на рис. 15.5.

Rвх

Uвх

Uвых

Rос

Рис. 15.5. Инвертирующий усилитель

Коэффициент усиления инвертирующего усилителя равен

вх

ос

вх

вых

R

R

U

U

K . (15.3)

160

Для упрощения расчетов делаются следующие допущения:

в диапазоне модуляции разность потенциалов между двумя входа-

ми равна 0;

входной ток усилителя равен 0.

В н е и н в е р т и р у ю щ е м усилителе входное и выходное напряже-

ния имеют одинаковую полярность, то есть фазовый сдвиг по напряже-

нию равен 00.

Rвх

Uвх

Uвых

Rос

Рис. 15.6. Неинвертирующий усилитель

Как показано на принципиальной схеме (рис. 15.6), входное напря-

жение подается на неинвертирующий вход. В диапазоне модуляции

усилителя разность потенциалов между двумя входами равна 0. Коэф-

фициент усиления неинвертирующего усилителя вычисляется по фор-

муле

вх

ос

вх

вых

R

R

U

U

K 1 . (15.4)

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ

3.1. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Собрать схему эксперимента. Подать на вход усилителя двуполяр-

ное питание. Изменяя величину сопротивления отрицательной обратной

связи Rос и величину входного напряжения, снять зависимости выход-

ного напряжения от входного для инвертирующего и неинвертирующе-

го усилителей. Сравнить полученные кривые.

161

3.2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

Исследование инвертирующего усилителя

1. Соберите цепь, как показано на рис. 15.7, и представьте для про-

верки преподавателю.

ВХ

ВХ

ВЫХ

ОС

Н

R1

R3

R2

Рис. 15.7. Исследуемая цепь с инвертирующим усилителем

2. С помощью мультиметра измерьте величины выходного напряже-

ния Uвых при различных сопротивлениях отрицательной обратной

связи Rос и входных напряжениях Uвх согласно таблице 15.1.

Таблица 15.1

Экспериментальные значения входного и выходного напряжения

Uвх, В 10 8 6 -4 -2 0 2 4 6 8 10

Uвых при Rос=

10 кОм

Uвых при Rос=

22 кОм

UвыХ при Rос=

47 кОм

3. Занесите результаты измерений Uвых в таблицу 15.1.

4. Для изучения влияния сопротивления нагрузки установите входное

напряжение Uвх = – 5 В, а Rос = Rвх = 10 кОм.

5. Подсоедините к выходу усилителя поочередно различные сопро-

тивления нагрузки согласно таблицы 15.2 и измерьте мультимет-

ром результирующие выходные напряжения Uвых.

6. Занесите измеренные величины в таблицу 15.2.

162

Таблица 15.2

Измеренные значения выходного напряжения

Rн, Ом 1000 680 470 330 220 100 47

Uвых, В

Исследование неинвертирующего усилителя

1. Соберите цепь по схеме (рис. 15.8) и представьте для проверки

преподавателю.

2. Используя мультиметр, измерьте выходное напряжение Uвых

при различных значениях сопротивления отрицательной обратной

связи Rос и входного напряжения Uвх согласно таблице 15.3.

Rвх

R2

10 кОм

10 кОм

R1

4,7 кОм

R4

1 кОм

+

U=15B

R3

1 кОм

Rос

U=15B

U1вх

Uвых

+

Рис. 15.8. Схема для исследования неинвертирующего усилителя

3. Занесите результаты измерений в таблицу 15.3.

Таблица 15.3

Измеренные значения выходного напряжения

UВХ, В –10 –8 –6 –4 –2 0 2 4 6 8 10

Uвых, В при

Rос=10 кОм

Uвых, В при

Rос=22 кОм

Uвых, В при

Rос=47 кОм

163

3.3. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

1. По экспериментальным данным таблицы 15.1 на графике

(рис. 15.9) постройте кривые зависимостей выходного напряжения Uвых

от входного Uвх при различных сопротивлениях отрицательной обратной

связи Rос.

2. По данным таблицы 15.2 постройте кривую зависимости вы-

ходного напряжения Uвых от сопротивления нагрузки Rн.

3. По данным таблицы 15.3, на графике (рис. 15.9) постройте за-

висимости выходного напряжения Uвых от входного напряжения Uвх

при различных сопротивлениях отрицательной обратной связи Rос.

ВХ ВХ

ВЫХ

ВЫХ

Рис. 15.9. Зависимости выходного напряжения от входного

при различных сопротивлениях отрицательной обратной связи

4. ВОПРОСЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ И САМОКОНТРОЛЯ СТУДЕНТОВ

1. Что такое операционный усилитель, как он обозначается на схемах

и где он используется?

2. В чем разница между инвертирующим и неинвертирующим входа-

ми операционного усилителя?

3. Нарисуйте блок-схему операционного усилителя. Объясните

назначение каждого элемента блок-схемы.

4. Какое напряжение питания подается на операционный усилитель?

164

5. Что такое отрицательная обратная связь? Как она вводится в схему усилителей на основе операционного усилителя?

6. Какова полярность входного напряжения Uвх инвертирующего уси-лителя по сравнению с выходным напряжением Uвых?

7. Какие компоненты определяют коэффициент усиления К усилите-ля?

8. Какова величина коэффициента усиления при Rос =100 кОм и Rвх=10 кОм?

9. Какова полярность входного напряжения Uвх в сравнении с выход-ным напряжением Uвых в неинвертирующем усилителе?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Касаткин А.С., Немцов М.В. Электротехника. – М.: Академия, 2008. – 539 с.

2. Электротехника. Под ред. В.Г. Герасимова. – М.: Высшая школа, 1985. – 480 с.

3. Волынский Б.А., Зейн Е.Н., Шатерников В.Е. Электротехника. – М.: Энергоиздат. 1987. – 528 с.

4. Миклашевский С.Л. Промышленная электроника. – М.: Высшая школа, 1973. – 617 с.

5. Клауснитцер Г. Введение в электротехнику. – М.: Энергоатомиз-дат, 1985. – 480 с.

6. Траубе Е.С., Миргородский В.Г. Электротехника и основы элек-троники. – М.: Высшая школа, 1985. – 160 с.

7. Электротехника. Под ред. В.С. Пантюшина. – М.: Высшая школа, 1995. – 536 с.

8. Кузовкин В.А. Теоретическая электротехника. – М.: Логос, 2002. – 480 с.

165

Приложение А

ОБРАЗЕЦ ОФОРМЛЕНИЯ ТИТУЛЬНОГО ЛИСТА

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ЮРГИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

Механико-машиностроительный факультет

Наименование выпускающей кафедры

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА

Лабораторная работа №____________

_____________________________________________________________

(название лабораторной работы)

Исполнитель:

студент группы_______ подпись И.О. Фамилия

(дата)

Руководитель:

(должность, ученая степень, звание) подпись И.О. Фамилия

(дата)

Юрга – 20__

166

Приложение Б

ТРЕБОВАНИЯ К УРОВНЮ ДОСТОВЕРНОСТИ

ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ

Для п р а в и л ь н о г о с н я т и я результатов и у м е н ь ш е н и я п о -

г р е ш н о с т и измерений необходимо соблюдать следующие правила.

1. Все измерения, относящиеся к одному режиму работы иссле-

дуемого устройства, должны проводиться без перерыва, за короткий

промежуток времени для уменьшения погрешностей, обусловленных

различными факторами, например нагревом исследуемого устройства.

При использовании приборов с зеркальной шкалой необходи-

мо для снятия правильного показания прибора соблюдать следующие

требования: во время снятия правильного показания отсчета по шкале

глаз должен быть расположен так, чтобы стрелка прибора и её отраже-

ние в зеркале совпадали, т.е. нужно смотреть под прямым углом.

2. Прежде чем приступить к измерениям, нужно определить цену

деления прибора (С). Если на шкале прибора имеются цифры, означа-

ющие измеряемую величину, то цена деления прибора определяется

как частное от деления разности двух ближайших оцифрованных

значений на число делений (n) между ними

n n 1 A A

C

n

.

П р и м е р 1 . Амперметр электромагнитной системы имеет оцифро-

ванные деления: 0, 1, 2, 3, 4, 5 А. Между отметками 3 и 4 нанесены че-

тыре риски, т.е. пять делений. Цена одного деления амперметра

СI = 1/5 = 0,2 А/дел.

Между отметками 1 и 2 только одна риска, т.е. два деления. В этом слу-

чае цена деления

СI = 1/2 = 0,5 А/дел.

Цена деления ваттметра равна произведению пределов напряжения

и силы тока, деленному на число делений:

СР = Uном.Iном../ n.

П р и м е р 2 . Uном. = 150 В, Iном. = 5 А, n = 150 делений, цена деления

ваттметра

СР =150∙5/150 = 5 Вт/дел.

3. После определения цены деления прибора измеряемая вели-

чина АХ определяется умножением цены деления С на число делений

N, на которое отклонилась стрелка прибора при измерении

АХ = С ∙ N.

167

П р и м е р 3 . При измерении тока прибором М104, имеющем цену де-

ления СI = 1∙10-4 А/дел., стрелка прибора отклонилась на n = 20 деле-

ний. Измеряемый ток

IX = CIN = 1 ∙10-4∙20 = 2∙10-3 А = 2 mA.

4. Измеренные результаты должны быть записаны с учетом аб-

солютной и относительной погрешности измерений.

Амперметры, вольтметры и ваттметры подразделяются на восемь

классов точности : 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. Цифра, означаю-

щая класс точности, определяет приведенную погрешность, которую

имеет данный прибор.

П р и м е р 4 . Прибор класса точности 0,5 имеет γпр. = ± 0,5%.

Приведенная погрешность (класс точности) характеризует точность из-

мерительного прибора.

Под приведенной погрешностью прибора понимают выраженное в

процентах отношение абсолютной погрешности ΔА к номинальной

величине прибора АНОМ.

.

.

100% пр

НОМ

А

А

,

где АНОМ. – максимальное, предельное значение шкалы прибора;

ΔА – абсолютная погрешность, которая равна разности между из-

меренным и действительным значением величины

ΔА = АИ – А.

Обычно точность измерения характеризуется абсолютной и отно-

сительной погрешностью измерений. Из формулы для приведенной по-

грешности прибора получим выражение для абсолютной погрешности

измерения

. .

100

пр ном А

А .

П р и м е р 5 . Номинальное напряжение, т.е. предел измерения

вольтметра UНОМ. =150 В, класс точности 1,5. С помощью вольтметра

измерено напряжение UИ = 50 В. Определить абсолютную величину по-

грешности измерения, а также действительное значение напряжения.

Абсолютная погрешность измерения

. . 1,5 150

2,25

100 100

пр НОМ U

U В .

Действительное значение напряжения может лежать в пределах

U = UИ - ΔU = ( 50 ±2,25) В,

где UИ – измеренная величина напряжения; ΔU – абсолютная погреш-

ность измерения.

168

Абсолютную погрешность округлять до одной значащей цифры,

а значение измеренной величины – до того разряда, в котором находит-

ся значащая цифра абсолютной погрешности.

Относительная погрешность – отношение абсолютной погрешно-

сти к действительному значению величины в процентах

100%.

А

А

П р и м е р 6 . Амперметр имеет класс точности 0,2, число делений

шкалы п = 100 и предел измерения IН = 5 А. При измерении стрелка

прибора отклонилась на N = 76 делений. Определить цену деления, аб-

солютную и относительную погрешности, значение тока.

Цена деления амперметра

. 5

0,05

100

НОМ I

C

n

А/дел.

Измеренный ток

I = CN =0,05 ∙76 = 3,8 A.

Абсолютная погрешность

. 0,2 5

0,01

100 100

НОМ I

I А.

Относительная погрешность

0,01

100 100 0,26%

3,8

I

I

.

169

Учебное издание

Масленникова Ольга Ивановна ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«ЭЛЕКТРОТЕХНИКА»

Учебное пособие

Заместитель директора по УМР , отличник профтехобразования лауреат межрегионального конкурса учебного и методического обеспечения.

Л.М.Кобец

Директор ООО» Рудник» кандидат технических наук

В.А.Лисовой.

Дизайн обложки О.И.Масленникова

Подписано к печати 05.11.2014. Формат 60х84/16. Бумага «Снегурочка».

Печать XEROX. Усл.печ.л. 9,01. Уч.-изд.л. 8,16.

Заказ . Тираж 20 экз.

Киселёвский горный техникум



Похожие документы:

  1. Методические рекомендации по организации внеаудиторной самостоятельной работы обучающихся по профессии

    Методические рекомендации
    ... » и 150709.02 «Сварщик» (электросварочные и газосварочные работы), 190631.01 «Автомеханик» Дополнения и изменения к методическим рекомендациям по внеаудиторной самостоятельной работе обучающихся по профессии ...

Другие похожие документы..