Лабораторные 4 сем / Лабораторная работа №34,36

Министерство цифрового развития, связи и массовых

коммуникаций Российской Федерации

Ордена Трудового Красного Знамени федеральное государственное

бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Московский технический университет связи и информатики»

(МТУСИ)

Кафедра «Теория электрических цепей»

Лабораторная работа №1

«Исследование цепей с нелинейными элементами»

Вариант №6

Выполнил студент группы

----

Проверил доцент кафедры «Теория электрических цепей»

----

Москва ----

Выполнение работы

1. Построить графики входного u1(t) и выходного u2(t) напряжений в R-цепи (делитель напряжения), если ко входу цепи (рис. 1) приложено мгновенное синусоидальное напряжение u₁(t)=U_msin(2πft) В, U_m=1.6 В, f=2 кГц, 0 ≤ t ≤0,002 с, R1=R2=100 Ом.

1.1. Вычислить коэффициент деления данного делителя.

Коэффициент деления по определению равен . Общее сопротивление делителя равно R = R₁ + R₂ = 200 Ом.

, = 0,5

Рисунок 1 – Схема резистивного делителя

Рисунок 2 - Графики входного и выходного напряжения R-цепи, если ко входу цепи (рис.1) приложено мгновенное синусоидальное напряжение.

Рисунок 3 - Графики входного и выходного напряжения R-цепи, если ко входу цепи (рис.1) приложено мгновенное синусоидальное напряжение.

2. Построить графики входного и выходного напряжения выпрямителя (рис. 3). Параметры входного сигнала из п.1, R1 = 100 Ом, VD1 1N5391. Параметры диода указаны в таблице 1.

Таблица 1 - Параметры диода.

Материал	Кремний
Максимальное постоянное обратное напряжение, В	50
Максимальное импульсное обратное напряжение, В	100
Максимальный прямой (выпрямленный за полупериод) ток, А	1,5
Максимальный допустимый прямой импульсный ток, А	50
Максимальный обратный ток, мкА при 25◦	5
Максимальное прямое напряжение, В при 25◦	1,2
при Iпр.	1,5
Рабочая температура, С	-65 … +150
Способ монтажа	в отверст.
Корпус	DO-15

Рисунок 4 – Выпрямитель

Рисунок 5 - Графики входного и выходного напряжения выпрямителя (рис. 4)

Рисунок 6 - Графики входного и выходного напряжения выпрямителя (рис. 3)

Повторить действия для выпрямителя с отрицательной полярностью выхода (рис. 7).

Рисунок 7 – Выпрямитель с отрицательной полярностью выхода

Рисунок 8 - Графики входного и выходного напряжения выпрямителя с отрицательной полярностью выхода (рис.7)

Рисунок 9 - Графики входного и выходного напряжения выпрямителя с отрицательной полярностью выхода (рис.7)

3. Повторить расчеты и построить графики п.2 для двустороннего ограничителя напряжения рис. 4.

Рисунок 10 – Двусторонний ограничитель напряжения

Рисунок 11 - Графики входного и выходного напряжений двустороннего ограничителя напряжения (рис.10)

Рисунок 12 - Графики входного и выходного напряжений двустороннего ограничителя напряжения (рис.10)

4. Повторить расчеты и построить графики п.2 для одностороннего ограничителя напряжения со смещением (рис. 5).

Рисунок 13 – Односторонний ограничитель напряжения со смещением

Рисунок 14 - Графики входного и выходного напряжения одностороннего ограничителя напряжения со смещением (рис.13)

Рисунок 15 - Графики входного и выходного напряжения одностороннего ограничителя напряжения со смещением (рис.13)

5. Рассчитать значение максимального напряжения на резисторе нагрузки R1 для простейшего удвоителя напряжения (рис. 6). С1 = 1 мкФ, R1 = 10 кОм, VD1 1N5391. Параметры входного сигнала u₁(t)=U_msin(2πft) В, U_m=1.6 В, f=2 кГц. Результат занести в таблицу 2.

Рисунок 16 – Простейший удвоитель напряжения

Рисунок 17 - Графики напряжений на входе, выходе и конденсаторе C1 простейшего удвоителя напряжения (рис.16)

6. Рассчитать значение максимального напряжения на резисторе нагрузки R1 для удвоителя напряжения (рис.7). С1 = C2 = 1 мкФ, R1 = 10 кОм, VD1, VD2 1N5391. Параметры входного сигнала по п.5. Результат занести в таблицу 2.

Рисунок 18 – Удвоитель напряжения на двух диодах

Рисунок 19 - Графики напряжений на входе, выходе и конденсаторе C1 удвоителя напряжения на двух диодах (рис. 18)

Таблица 2 - Значение максимального напряжения.

	По предварительному расчету	Получено экспериментально
Напряжение на нагрузке (схема рис. 11). UR1, В	2,5	2.62
Напряжение на нагрузке (схема рис. 13). UR1, В	1,8	1.97

Контрольные вопросы

1. Какие цепи называются линейными и какие нелинейными? Приведите пример.

Линейной электрическая цепь - цепь, все компоненты которой линейные. 

Пример: Цепь, состоящая только из резисторов с постоянным сопротивлением, конденсаторов и катушек индуктивности без сердечников.

Нелинейная электрическая цепь — цепь, содержащая хотя бы один нелинейный элемент.

Пример: Цепь, содержащая полупроводниковый диод, транзистор, или лампу накаливания.

2. Что понимается под аппроксимацией ВАХ нелинейных элементов? Приведите пример.

Аппроксимация вольт-амперной характеристики (ВАХ) — это приближенная замена реальной, сложной нелинейной зависимости между током и напряжением более простой математической функцией (линейной, кусочно-линейной, степенной и т.д.). 

3. Нарисуйте схему простейшего выпрямителя. Объясните его работу.

1. На вход подается переменное синусоидальное напряжение.

2. В положительный полупериод (когда на верхнем выводе "+", а на нижнем "-"), диод смещен в прямом направлении (открыт). Ток течет через нагрузку (подключенную к выходу), и на выходе появляется напряжение, повторяющее форму входного (за вычетом падения на диоде ~0.7В).

3. В отрицательный полупериод (когда на верхнем выводе "-", а на нижнем "+"), диод смещен в обратном направлении (закрыт). Ток через нагрузку не течет. Напряжение на выходе равно нулю.

4. Нарисуйте схему простейшего ограничителя входного сигнала. Объясните его работу.

Пусть на входе действует напряжение u1(t) = U_msin(ωt). Ток I ток будет протекать только тогда, когда один из диодов становится проводящим, т.е. u1>Uд, где Uд — падение напряжения на смещенном в прямом направлении диоде. Когда I = 0, напряжение u2 = u1. Таким образом, напряжение на выходе будет равно

Выходное напряжение ограничивается по уровню Uд, а любой сигнал с размахом, меньшим, чем Uд, будет проходить без искажений.

5. Что называют пульсациями. Приведите пример.

Пульсации – множество периодических колебаний, процесс периодического или случайного изменения постоянного напряжения относительно его среднего уровня в установившемся режиме работы источника.

Пример: На выходе простейшего однополупериодного выпрямителя (без конденсатора) напряжение не постоянное, а представляет собой "горбушки" синусоиды, следующие друг за другом с паузами.

6. Что называют удвоителями напряжения. Приведите пример.

Удвоитель напряжения – специальная схема для повышения напряжения, состоит из диода и конденсатора. На вход такой цепи подается переменное напряжение, на выходе получается постоянное напряжение по величине примерно в два раза больше, чем напряжение на входе.

Пример: Простейший удвоитель напряжения, состоящий из двух конденсаторов и двух диодов, подключённых к источнику переменного тока.

7. Объясните работу простейшего удвоителя с помощью его эквивалентной схемы.

Простейший удвоитель напряжения состоит из диода и конденсатора. Конденсатор C1 заряжается до амплитуды входного напряжения (Uвх) в положительный полупериод. В отрицательный полупериод этот заряженный конденсатор оказывается включен последовательно с источником входного сигнала (который сейчас равен 0В). Конденсатор создает относительно земли напряжение, равное своему заряду, но с обратным знаком. Для получения именно удвоения положительного напряжения схему обычно собирают зеркально (диод развернут), и тогда на выходе будет +2Uвх.

8. Каков принцип удвоения напряжения в удвоителе на двух диодах?

Принцип работы основан на накоплении энергии в конденсаторах и последующем последовательном суммировании их напряжений.

9. На какое напряжение должны быть рассчитаны элементы в удвоителях напряжения?

Элементы в удвоителях напряжения должны быть рассчитаны с учетом максимального напряжения, которое они будут переносить. Удвоители напряжения обрабатывают переменное напряжение, и напряжение на элементах будет зависеть от величины входного переменного напряжения. В идеальных условиях, например, если входное напряжение имеет амплитуду Vвх, то выходное напряжение будет 2Vвх.

10. Какое максимальное значение выходного напряжения может быть достигнуто в схеме удвоения?

Максимальное значение выходного напряжения в удвоителе напряжения будет в два раза больше максимального входного напряжения. Это следует из того, что удвоитель создает напряжение на выходе, которое равно сумме зарядов на конденсаторах, и в каждом из полупериодов входного напряжения каждый конденсатор заряжается до максимального значения. Таким образом, если максимальное входное напряжение (амплитуда) равно Vмвх, то максимальное выходное напряжение (амплитуда) будет 2Vмвх.

11. Перечислите достоинства и недостатки основных схем удвоения напряжения.

Достоинства:

1. Удвоение напряжения: Основное преимущество - способность увеличивать напряжение в два раза, что может быть важно для определенных приложений, таких как создание высокого напряжения для экспериментов в физике или работы с электронными устройствами.

2. Простота конструкции: Некоторые схемы удвоения могут быть довольно простыми и экономичными в изготовлении.

3. Высокое выходное напряжение: В определенных случаях удвоители могут обеспечивать очень высокие выходные напряжения.

Недостатки:

1. Потери и эффективность: из-за потерь в сопротивлении диодов, сопротивлении проводов, потерь в трансформаторах и других элементах эффективность удвоителя может быть относительно низкой. Это может привести к нежелательному нагреву элементов и потере энергии.

2. Ограниченная мощность: Некоторые схемы удвоения могут иметь ограничение по мощности из-за ограничений компонентов, таких как диоды и конденсаторы.