14. Диод и стабилитрон

Полупроводнико́вый стабилитро́н, или диод Зенера — полупроводниковый диод, работающий при обратном смещении в режимепробоя^[1]. До наступления пробоя через стабилитрон протекают незначительные токи утечки, а его сопротивление весьма высоко^[1]. При наступлении пробоя ток через стабилитрон резко возрастает, а его дифференциальное сопротивление падает до величины, составляющей для различных приборов от долей Ома до сотен Ом^[1]. Поэтому в режиме пробоя напряжение на стабилитроне поддерживается с заданной точностью в широком диапазоне обратных токов^[2].

Основное назначение стабилитронов — стабилизация напряжения^[1][2]. Серийные стабилитроны изготавливаются на напряжения от 1,8 Вдо 400 В^[3]. Интегральные стабилитроны со скрытой структурой на напряжение около 7 В являются самыми точными и стабильными твердотельными источниками опорного напряжения: лучшие их образцы приближаются по совокупности показателей к нормальному элементу Вестона. Особый тип стабилитронов, высоковольтные лавинные диоды («подавители переходных импульсных помех», «суппрессоры», «TVS-диоды») применяется для защиты электроаппаратуры от перенапряжений.

У них одинаковая ВАХ(вольт-амперная хар-ка) только когда к ним прикладывается положительное напряжение, но этот участок ВАХ не интересен для практического использования. Все интересное происходит когда к стабилитрону прикладывают отрицательное напряжение. Обычный диод в таком случае ток через себя почти не пропускает, а у стабилитрона есть напряжение электрического пробоя (оно в отличие от теплового пробоя не разрушает стабилитрон и является для стабилитрона нормальным рабочим режимом). При этом напряжении ток протекающий через стабилитрон может изменятся в широких пределах, а напряжение на стабилитроне будет почти постоянным. На этом и основан принцип стабилизации напряжения стабилитроном.

15. Переменный синусоидальный ток. Символический метод

Понятия комплексных токов и напряжений  ,  , комплексных сопротивлений и проводимостей Z и Y лежат в основе комплексного метода расчета цепей синусоидального тока.

Для расчета цепи необходимо перейти от заданных характеристик действующих в цепи источников ЭДС и тока, используя формулы прямого преобразования (7.1), к их комплексным изображениям:  ;   ( ,   — действующие ЭДС и токи, _e, _J — их начальные фазы). При наличии единственного источника его начальную фазу можно принять равной нулю, тогда его комплексное изображение будет вещественным. Далее вводятся комплексные сопротивления (или проводимости) элементов цепи: Z_R = R; Z_L = jL; Z_C = 1/jC или Y_R = 1/R;Y_L = 1/jL; Y_C = jC. Эти величины выражают связи комплексных токов   и напряжений   на элементах цепи:   ( ). Сами комплексные токи и напряжения подчиняются законам Кирхгофа:  ;  . Поэтому далее комплексные величины рассчитываются на основе уравнений Кирхгофа либо вытекающих из них узловых или контурных уравнений. При этом матрицы узловых проводимостей Y_у или контурных сопротивлений Z_к, формируемые из комплексных проводимостей или сопротивлений элементов цепи, имеют комплексные элементы. К комплексным величинам   и   можно применять принципы наложения и взаимности. Комплексные сопротивления Z и проводимости Y подчиняются правилам суммирования и преобразования при последовательном и параллельном соединениях, тождественным правилам преобразованиям сопротивлений R и проводимостей G резистивных элементов. Таким образом, комплексный метод позволяет распространить на расчет цепей синусоидального тока все известные способы и методы расчета резистивных цепей. Их соответствие расчетным величинам и формулам комплексного метода показано в Tабл. 7.2. Значения комплексных токов   и напряжений   определяют действующие значения как модуль соответствующей комплексной величины (или его амплитуду, если при анализе используются комплексные амплитуды). Начальная фаза равна аргументу соответствующей комплексной величины. Таким образом, для перехода от комплексных изображений   и   к представлению искомых величин во временной области i(t) и u(t) используются формулы обратного преобразования (7.2).

16. Двухполупериодная однотактная схема выпрямления

Двухполупериодная однотактная схема (с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора) представляет собой соединение двух однополупериодных выпрямителей, работающих на общую нагрузку (рисунок 3.4), причем u₂' и u₂'' равны и противоположны по фазе.

Из временных диаграмм видно, что в данной схеме используются оба полупериода напряжения сети, и ток в нагрузочном резисторе, создаваемый за счет поочередной работы вентилей, протекает в одном направлении

Из разложения в гармонический ряд напряжения, выпрямленного двухполупериодной схемой,

вытекает, что по сравнению с однополупериодным вариантом:

а) среднее значение выпрямленного напряжения

в два раза больше,

б) а пульсации меньше:

17. Основные характеристики электромашин постоянного тока.

Работа электрического двигателя постоянного тока основана на явлении электромагнитной индукции. Из основ электротехники известно, что на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила, определяемая по правилу левой руки:

F = BIL, 

где I — ток, протекающий по проводнику, В — индукция магнитного поля; L — длина проводника.

При пересечении проводником магнитных силовых линий машины в нем наводится электродвижущая сила, которая по отношению к току в проводнике направлена против него, поэтому она называется обратной или противодействующей (противо-э. д. с). Электрическая мощность в двигателе преобразуется в механическую и частично тратится на нагревание проводника.

Конструктивно все электрические двигатели постоянного тока состоят из индуктора и якоря, разделенных воздушным зазором.

Индуктор электродвигателя постоянного тока служит для создания неподвижного магнитного поля машины и состоит из станины, главных и добавочных полюсов. Станина служит для крепления основных и добавочных полюсов и является элементом магнитной цепи машины. На главных полюсах расположены обмотки возбуждения, предназначенные для создания магнитного поля машины, на добавочных полюсах -специальная обмотка, служащая для улучшения условий коммутации.

Якорь электродвигателя постоянного тока состоит из магнитной системы, собранной из отдельныхлистов, рабочей обмотки, уложенной в пазы, и коллектора служащего для подвода к рабочей обмотке постоянноготока.

Коллектор представляет собой цилиндр, насаженный на вал двигателя и избранный из изолированныхдруг от друга медных пластин. На коллекторе имеются выступы-петушки, к которым припаяны концы секций обмотки якоря. Съем тока с коллектора осуществляется с помощью щеток, обеспечивающих скользящий контакт с коллектором. Щетки закреплены вщеткодержателях, которые удерживают их в определенном положении и обеспечивают необходимое нажатие щетки на поверхность коллектора. Щетки и щеткодержатели закреплены на траверсе, связанной с корпусом электродвигателя.

Коммутация в электродвигателях постоянного тока

В процессе работы электродвигателя постоянного тока щетки, скользя по поверхности вращающегося коллектора, последовательно переходят с одной коллекторной пластины на другую. При этом происходит переключение параллельных секций обмотки якоря и изменение тока в них. Изменение тока происходит в то время, когда виток обмотки замкнут щеткой накоротко. Этот процесс переключения и явления, связанные с ним, называются коммутацией.

18. Однополупериодная схема выпрямления

Простейшая схема однополупериодного выпрямителя состоит только из одного выпрямляющего ток элемента (диода). На выходе — пульсирующий постоянный ток. На промышленных частотах (50—60 Гц) не имеет широкого применения, так как для питания аппаратуры требуются сглаживающие фильтры с большими величинами емкости и индуктивности, что приводит к увеличению габаритно-весовых характеристик выпрямителя. Однако схема однополупериодного выпрямления нашла очень широкое распространение в импульсных блоках питания с частотой переменного напряжения свыше 10 КГц, широко применяющихся в современной бытовой и промышленной аппаратуре. Объясняется это тем, что при более высоких частотах пульсаций выпрямленного напряжения, для получения требуемых характеристик (заданного или допустимого коэффициента пульсаций), необходимы сглаживающие элементы с меньшими значениями емкости (индуктивности). Вес и размеры источников питания уменьшаются с повышением частоты входного переменного напряжения.Однополупериодный выпрямитель или четвертьмост является простейшим выпрямителем и включает в себя один вентиль (диод или тиристор).Допущения: нагрузка чисто активная, вентиль — идеальный электрический ключ.Напряжение со вторичной обмотки трансформатора проходит через вентиль на нагрузку только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды вентиль закрыт, всё падение напряжения происходит на вентиле, а напряжение на нагрузке Uн равно нулю.

. Эта величина вдвое меньше, чем в полномостовом.Недостатки:^[10]Большая величина пульсаций ..Сильная нагрузка на вентиль (требуется диод с большим средним выпрямленным током)…Низкий коэффициент использования габаритной мощности трансформатора (около 0,45) (не путать с КПД, который зависит от потерь в меди и потерь в стали и в однополупериодном выпрямителе почти такой же, как и в двухполупериодном).

Преимущество: экономия на количестве вентилей

19. Сопротивления цепи переменного синусоидального тока

      Если напряжение   подключить к сопротивлению R, то через него протекает ток

     (6.7)

     Анализ выражения (6.7) показывает, что напряжение на сопротивлении и ток, протекающий через него, совпадают по фазе.          Формула (6.7) в комплексной форме записи имеет вид

     (6.8)

      где       и      - комплексные  амплитуды  тока и напряжения.       Комплексному уравнению (6.8) соответствует векторная диаграмма (рис. 6.4).

     Из анализа диаграммы следует, что векторы напряжения и тока совпадают по направлению.

     Сопротивление участка цепи постоянному току называется омическим, а сопротивление того же участка переменному току - активным сопротивлением.                                 Активное сопротивление больше омического из-за явления поверхностного эффекта. Поверхностный эффект заключается в том, что ток вытесняется из центральных частей к периферии сечения проводника.

20. Принцип работы и конструкция электрических машин постоянного тока

Машина постоянного тока — электрическая машина, предназначенная для преобразования механической энергии в электрическую постоянного тока (генератор) или для обратного преобразования (двигатель). Машина постоянного тока обратима.

Машина постоянного тока образуется из синхронной обращённой конструкции, если её якорь снабдить коллектором, который вгенераторном режиме играет роль выпрямителя, а в двигательном — преобразователя частоты. Благодаря наличию коллектора по обмоткеякоря проходит переменный ток, а во внешней цепи, связанной с якорем, — постоянный.

Машина постоянного тока может работать в двух режимах: двигательном и генераторном, в зависимости от того, какую энергию к ней подвести — если электрическую, то электрическая машина будет работать в режиме электродвигателя, а если механическую — то будет работать в режиме генератора. Однако электрические машины, как правило предназначены, заводом изготовителем, для одного определенного режима работы — или в режиме генератора, или электродвигателя.