1-60ORE

забезпечити протікання в колі між керуючим електродом та катодом струму керування ik, направленого як на рис. 2а.

Рис. 2. Два стани тиристора (а – відкритий та б – закритий)

Для забезпечення протікання струму керування використовують додаткове джерело напруги керування uk. Величина струму керування набагато

менша від струму між анодом та катодом (тобто силового струму). Якщо коло керуючого електрода розімкнути (як на рис. 2б), струм керування буде відсутній, і тиристор не відкриється. Графічне позначення тиристора подібне до позначення діода, проте має третій вивід КЕ. Нумерацію тиристорів на схемах здійснюють із використанням букв VS. Завдяки наявності керуючого електрода тиристор стає керованим вентилем. Він відкриється лише тоді, коли буде виконано не лише першу умову його відкривання, а й другу. Тому струм керування можуть подавати не одразу після виконання першої умови, а дещо пізніше. Цей струм подається від спеціальної системи керування. Надалі ми не будемо зображувати коло, яким протікає струм керування.

Тиристор має одну особливість: він відкривається за допомогою керуючого електрода, проте закривається лише тоді, коли струм між анодом та катодом зникне. Домогтися цього за допомогою керуючого електрода неможливо. Тому тиристор іноді називають напівкерованим вентилем.

Конструкція діодів малої потужності показана на рис. 3. У верхнього діода (більш потужного за нижні) катод розташований з лівого боку. Знизу зображено діодний місток (про них нижче).

Більш потужні діоди та тиристори зображено на рис. 4. Катод звичайно має
різьбу, якою	закріплюється	на	охолоджувачі,	анод – гнучкий вивід.
Охолоджувачі (рис. 5), відводячи тепло від вентиля, запобігають їх
перегріванню.	Найбільш потужні		прилади мають	таблеткову конструкцію
(див.нижню частину рис. 4), яка забезпечує відвід тепла назовні від обох торців
(праворуч на рис. 5).
	Найпростіший випрямляч
Випрямляч (рис. 6а) живиться від джерела знакозмінної (звичайно
синусоїдальної) напруги u. Він складається лише з одного діода. Будемо вважати,
що навантаження випрямляча –		споживач із суто активним внутрішнім опором			Рис. 3. Діоди

(R). Струм, який протікає навантаженням, та напруга, прикладена до нього, позначені на рис. 6б індексами d (від англ. Direct – постійний). Діод відкритий

лише тоді, коли до анода прикладається позитивний потенціал (напруга джерела позитивна, перший півперіод на рис. 6б).

Рис. 4. Потужні діоди та тиристори

Рис. 5. Тиристори з охолоджувачами

Рис. 6. Процеси у найпростішому випрямлячі

До навантаження через відкритий діод подається напруга від джерела. Струм, який протікає колом «джерело u – діод – навантаження» за чисто активного навантаження повторює за формою

напругу: . Тому зі зниженням напруги до нуля

зникає і струм, а діод закривається. На наступному півперіоді, коли напруга джерела від’ємна, струм відсутній, напруга на навантаженні дорівнює нулю. Після того, як напруга джерела знову стає позитивною, відкривається діод, і до навантаження знову прикладається напруга. Таким чином, завдяки випрямлячеві напруга на навантаженні (випрямлена напруга ud ) містить у собі лише позитивні півперіоди напруги живлення u,

а випрямлений струм повторює за формою випрямлену напругу. У нижній частині рис. 6б зображена

діаграма роботи діода (чорна лінія показує інтервали часу, коли діод відкритий).

Мостовий випрямляч

Щойно розглянута схема використовується лише для живлення споживачів малої потужності. Більш розповсюджена мостова схема (рис. 7а).

Рис. 7. Мостовий випрямляч

До її складу входять чотири діоди, які працюють попарно-почергово. На першому півперіоді живильної напруги (права клема джерела має позитивний потенціал) відкриті діоди VD1 та VD4, утворюється шлях протікання струму, зображений на рис. 7б. До навантаження прикладається позитивна напруга. На другому півперіоді відкриті VD2 та VD3, а струм протікає, як показано на рис. 7в (у навантаженні – у тому ж напрямку). До навантаження знову прикладена позитивна напруга.

Випрямлені напруга та струм у часі змінюються згідно рис. 7г. Оскільки обидва півперіоди напруги живлення є робочими, середнє значення випрямленої напруги вдвічі більше порівняно зі схемою рис. 6а. Мостові діодні випрямлячі невеликої потужності випускають у вигляді т.з. «діодних містків» (знизу на рис. 3).

Якщо потрібно не тільки формувати на навантаженні знакопостійну напругу, а й змінювати в разі потреби її середнє значення (для регулювання зварювального струму, швидкості електродвигуна), замість діодів у випрямлячах використовують тиристори (рис. 8а). Якщо тиристори отримують до кола керування керуючий струм одразу, коли напруга на їх анодах стає позитивною, тиристори працюють як діоді, і процеси в схемі нічим не відрізняються від розглянутих раніше. Якщо ж затримати подачу струму керування, відкривання тиристорів відбудеться пізніше (на рис. 8б – по закінченні часу затримки tз). Доки тиристори закриті, струм відсутній, і напруга до навантаження не прикладається. З кривої випрямленої напруги «вирізається» певна ділянка, і середнє цієї значення напруги зменшується. Збільшення затримкиtз призводить до подальшого зменшення середньої випрямленої напруги.

Рис. 8. Тиристорний мостовий випрямляч

Тиристорні випрямлячі використовуються в електроприводах постійного струму для живлення обмоток якоря та збудження електродвигунів постійного струму. На рис. 9 показаний зовнішній вигляд подібного електропривода. Окрім суто випрямляча, до його складу входять мікропроцесорні системи керування тиристорами

та швидкістю і моментом електричного двигуна, дисплей та пульт керування для діалогу з користувачем, а також додаткові елементи, які забезпечують функціонування електропривода. Випрямлячі великої потужності розташовуються в електричних шафах (рис. 10).

23. Стабілізатори напруги. Типи, принцип дії, особливості.

24.Коливальний контур. Параметри, їх взаємозв’язок. Види резонансів. Векторні діаграми.

Явище резонансу можна спостерігати в будь-яких коливальних системах, у тому числі механічних і електричних. Електричний резонанс виникає при певних "умовах в електричних колах змінного струму, які мають індуктивності та ємності.

Вивчення електричного резонансу необхідно, оскільки це явище широко використовується в техніці електрозв'язку, а в установках сильного струму, де його виникнення спеціально не передбачається, резонанс може виявитись небезпечним (можуть виникнути перенапруги і пробій ізоляції).

§ 17.1. КОЛИВАЛЬНИЙ КОНТУР

Для того щоб зрозуміти резонансні явища, перехідні процеси в електричних колах змінного струму, які розглядаються далі, важливо мати уявлення про процеси в коливальному контурі, що складається з ідеальних котушки і конденсатора, тобто в контурі без втрат. Коливальний процес в такому контурі полягає у взаємному перетворенні електричного і магнітного полів. При цьому змінюється енергія полів; тому коливальний процес в контурі кількісно, як і раніш, характеризуватимемо зміною енергії.

Струм і напруга в коливальному контурі

Припустімо, що конденсатор ємністю С, який дістав від джерела запас енергії CU2m/2, перемкнули на котушку, як показано на рис. 17.1, а (на цій схемі умовно-додатні напрями струму і, напруги и,с та е. p. c. eL позначено стрілками). З цього моменту процеси в колі здійснюються різно протягом чотирьох однакових проміжків часу, які становлять разом період часу Т (рис. 17.1, е).

У першу частину періоду (0 — 7Y4) . конденсатор розряджається і в колі є струм. У цей час у відокремленому колі конденсатор відіграє роль джерела енергії (рис. 17.1, б). У початковий момент струм дорівнює нулю, далі він збільшується. Збільшення струму в колі спричи-. нює виникнення е. р. с. самоіндукції вь і накопичення енергії в магнітному полі котушки. Е. р. с. самоіндукції зрівноважує напругу на конденсаторі.

На рис. 17.1, б, д показано дійсні напрями струму, напруги та е. р. с. для розглядуваного відрізка часу.

Напруга	на	конденсаторі	в
процесі розряджання' зменшується,			тому

струм, що виникає в колі, зростає дедалі повільніше; відповідно до цього зменшується й е. р. с. самоіндукції, яка пропорційна швидкості зміни струму. Отже, до кінця розряджання конденсатора енергія електричного поля перетворилася на енергію магнітного поля і накопичилась у кількості.

З цього моменту струм починає зменшуватися (але не зникає), зберігаючи свій напрям. У наступну частину періоду (від 774 до 772) напрям струму зберігається, оскільки е. р. с. самоіндукції при зменшенні струму змінює свій знак, і роль джерела енергії виконує котушка. Струм, що зменшується, тепер є зарядним струмом конденсатора, який заряджається в зворотному напрямі {ркг: І?/!, в). Напруга на конденсаторі збільшується, зрівноважуючи тепер е. р. с. самоіндукції.

При збільшенні напруги на конденсаторі його зарядний струм зменшується дедалі швидше, внаслідок чото е. p. c. bl збільшується. Отже, до кінця заряджання конденсатора напруга на його обкладках досягає найбільшого значення, е. р. с. самоіндукції теж максимальна, а струм дорівнює нулю. Енергія магнітного поля знову перетворилася на енергію електричного поля. З цього моменту зростання е. р. с. самоіндукції припиняється і починається її зменшення. Роль джерела

енергії знову виконує конденсатор. Починається третя частина періоду (від 772 до 3774). В розглядуваному процесі конденсатор вдруге стає джерелом енергії. Проте порівняно з першим він має зворотну полярність, тому його розрядний струм змінює напрям і далі збільшується. Знову енергія зменшується в електричному полі й накопичується в магнітному полі (рис. 17.1, г).

Вмомент часу t = ЗТ/4 напруга на конденсаторі та е. р. с. самоіндукції дорівнюють нулю, а струм — найбільший. На останньому відрізку часу (від 3774 до 7і) процес відбувається в тому самому порядку, що й в другому, але при зворотному напрямі струму (рис. 17.1, д).

Вмомент часу t = Т конденсатор заряджений в тому самому напрямі й тією ж кількістю енергії, як і при t = 0. Струм переходить через нуль до додатних значень і далі збільшується. Процес повторюється в порядку, розглянутому раніше.

Характеристики коливального контура

Енергетичний процес у коливальному контурі має періодичний характер з періодом Т. Коливання в електричному колі, не пов'язані з джерелом енергії, називають власн йми, або вільними.

Цей процес розглянемо за графіком зміни струму /. напруги ис та е. р. с. Єї, які прийнято синусоїдними функціями часу.

Для такого припущення є повна підстава, оскільки ці величини взаємно зв'язані співвідношенням

Разом з тим струм у контурі пропорційний швидкості зміни заряду конденсатора, причому він

збільшується,

коли

конденсатор

розряджається.

Отже,

Це можна перевірити:

Такий взаємний зв'язок змінних величин свідчить про синусоїдний закон зміни струму і напруги, але при наявності зсуву фаз між ними на 90°, тобто при

Величину о)0 в рівнянні струму і напруги називають кутовою частотою власних коливань у контурі. Знайдемо її, використавши рівність найбільшої кількості енергії в конденсаторі і котушці:

та зв'язок між амплітудами струму і напруги:

Скоротивши, дістанемо

Частота власних коливань

Період власних коливань

З рівності (17.1) випливає ще одне важливе співвідношення

Величина, що стоїть у знаменнику, має розмірність опору і називається хвильовим опором контура:

Коливальний контур із втратами енергії

Незатухаючі коливання в контурі дістаємо в припущенні, що втрат енергії немає, тобто R = 0.

Якщо активний опір контура не дорівнює нулю, то запас енергії в контурі скорочується (енергія перетворюється на тепло), амплітуди струму і напруги з кожним періодом зменшуються, як показано на рис. 17.2, а.

Більш докладне дослідження коливального контура показує, що частота вільних коливань залежить від активного опору;

17.2. РЕЗОНАНС НАПРУГ

При розгляді різних режимів електричних кіл в § 14.1 було зазначено випадок рівності реактивних опорів xl = Хс при послідовному з'єднанні елементів, які мають індуктивність та ємність.

В цьому випадку електричне коло перебуває в режимі резонансу напруг, який характеризується тим, що реактивна потужність кола дорівнює нулю, струм і напруга збігаються за фазою.

Умова виникнення резонансу

Резонанс напруг виникає при певній для заданого кола частоті джерела енергії (частоті вимушених коливань), яку називають р"е-зонансноючастотою юр.

При резонансній частоті, як буде показано далі, XL = Хс.

Режим електричного кола при

послідовному з'єднанні ділянок з індуктивністю та ємністю, який характеризується рівністю індуктивного та ємнісного опорів, називають резонансом напруг.

Резонанс напруг розглянемо спочатку на схемі ідеалізованого кола (рис. 17.3, а), в якому послідовно з резистором R ввімкнено ідеальні (без втрат) котушку L і конденсатор С.

Реактивні опори AVi Хс (рис. 1/:3, б,- залежать від частоти вимушених коливань:

Прирівнявши реактивні опори й урахувавши, що со = cup, дістанемо

Звідси резонансна частота

В цьому випадку вираз для резонансної частоти збігається з формулою (17.3) для частоти власних коливань в контурі без втрат.

Основні співвідношення між величинами, які характеризують режим електричного кола й енергетичні процеси, розглянуто в § 14.1. Слід зазначити, що в нерозгалуженому колі обмін енергією між котушкою і конденсатором здійснюється через джерело енергії, яке заповнює втрати енергії в активних опорах.

Резонансні криві

Резонанс напруг у колі можна виявити двома способами: 1) - зміною параметрів L і С (одного з них або обох разом) при сталій частоті джерела або 2) зміною частоти джерела енергії при сталих L і С.

У зв'язку з цим великий практичний інтерес становлять залежності напруг і струмів на окремих елементах кола від частоти. Ці залежності називають резонансними кривими (рис. 17.3, в).

Реактивні опори із зміною частоти змінюються, як показано на рис. 17.3, б. При збільшенні частоти XL збільшується пропорційно частоті, а Хсзменшує-

ться за законом оберненої пропорційності.

. Відповідно повний опір Z кола при резонансній частоті сор найменший і дорівнює активному опору R; при частоті со •< сор повний опір збільшується із зменшенням частоти завдяки зростанню Хсі при частотах со > Op повний опір зростає із збільшенням частоти завдяки зростанню xl.

Така залежність повного опору від частоти визначає характер зміни струму при сталій напрузі в колі (рис. 17.3, в). При со = О струм дорівнює нулю, далі із збільшенням частоти струм збільшується і при <о = cop досягає максимуму /р. Дальше збільшення частоти веде до поступового зменшення струму до нуля при со = оо. Аналогічно змінюється напруга на активному опорі uk, яка пропорційна струму:

UR = IR.

Напруга на конденсаторі Uc при со = 0 дорівнює напрузі на затискачах джерела U, оскільки опір конденсатора Хс — оо, що відповідає розриву кола на його затискачах. Із зростанням частоти l/c збільшується, досягаючи найбільшого значення при частоті, яка трохи менша від резонансної, і далі зменшується до нуля при со = оо.

Індуктивна напруга ul = 0 при частоті со = 0, оскільки опір xl = 0. Збільшення частоти веде до збільшення ul, яке при частоті, що трохи більша від резонансної, досягає максимуму, а потім зменшу-€ ться до напруги джерела при со = оо, коли опір xl = оо, що відповідає розриву кола на затискачах котушки.

При частотах, менших від резонансної, реактивний опір кола має ємнісний характер (від'ємний), тому й кут зсуву фазу колі від'ємний. Зменшуючись із зростанням частоти, він дорівнює нулю при резонансі (фр = 0), а потім змінює знак і збільшується при подальшому збільшенні частоти.

Добротність контура

З цього виразу випливає, що при Zxe > R напруга на реактивних елементах більша від напруги джерела.

При резонансі напруг відношення напруги до індуктивності або ємності до напруги, прикладеної до кола (напруги джерела), дорівнює відношенню хвильового опору до активного. Дійсно, при резонансі опори реактивних елементів

Таке перевищення може виявитись значним, якщо реактивні опори набагато більші від активного, внаслідок чого може статися пробій ізоляції котушки або конденсатора. На практиці подібний випадок можливий, якщо на кінці кабельної .лінії вмикається приймач, що має індуктивність.

У радіотехніці якість резонасного контура тим вища, чим більше відношення z.xb//?, яке називається добротністю контура Q:

Чим менша потужність втрат енергії в контурі (цьому відповідає менше значення R), тим більша добротність контура.

Більшому значенню добротності відповідають більший струм /р при резонансі й більш гостра резонансна крива.

На рис. 17.4 показано дві резонансні криві струму, побудовані у відносних одиницях при двох значеннях добротності. По горизонтальній осі відкладено відношення частоти джерела енергії, яка змінюється, до резонансної частоти ft»/a»p, а по вертикальній — відношення струму при заданій частоті до струму при резонансній частоті III,.

Усі міркування про резонанс напруг в ідеалізованому колі можна поширити й на кола, які містять послідовно з'єднані котушку і конденсатор з втратами. Як відомо, реальні котушки і конденсатор можна подати схемами послідовного з'єднання активного і реактивного опорів (рис. 17.3, а). Активні опори котушки і конденсатора можна розглядати як частину загального активного опору кола R, тоді схема на рис. 17.3, а придатна і для цього випадку.

§ 17.3. РЕЗОНАНС СТРУМІВ

При розгляді паралельного з'єднання котушки і конденсатора (див. § 14.3) було зазначено випадок рівності активної і реактивної провідностей (BL = Вс) елементів, які мають індуктивність та ємність. В цьому випадку електричне коло перебуває в режимі резонансу струмів, який характеризується тим, що реактивна потужність кола дорівнює нулю, струм і напруга збігаються за фазою (<р = 0).

Умови виникнення резонансу

Так само як і резонанс напруг, резонанс струмів виникає, коли частота джерела енергії дорівнює резонансній частоті

Режим електричного кола при паралельному з'єднанні ділянок з індуктивністю та ємністю, який характеризується рівністю індуктивної та ємнісноїпровідностей, називають резонансом струмів.

Спочатку розглянемо цей режим для схеми ідеалізованого кола (рис. 17.5, а). В цій схемі паралельно резисторові R ввімкнено ідеальні котушку L і конденсатор С, втрати енергії в яких не враховуються.

Реактивні провідності залежать від частоти вимушених коливань. Для розглядуваної схеми: активна провідність

реактивні провідності

При резонансі струмів

Звідси визначають резонансну частоту:

Вираз для резонансної частоти в цьому випадку такий самий, який було добуто при розгляді резонансу напруг {див. формулу (17.8)] для частоти .вільних коливань у контурі без втрат.

Резонанс струмів, так само як і резонанс напруг, можна дістати зміною параметрів L і С або зміною частоти джерела енергії.

Резонансні криві

На рис. 17.5, б показано залежності провідностей від частоти. Повна провідність кола Y при резонансній частоті сор найменша і дорівнює активній провідності G. При зміні частоти в обидва боки від резонансної повна провідність збільшується.

При заданій напрузі джерела енергії струм у колі пропорційний провідності (рис. 17.5, б): / = UY, тому крива / (ш)

за формулю повторює криву Y (со). Становище резонансу струмів характеризується найменшим значенням струму в

колі і тим, що кут зсуву фаз між напругою і струмом дорівнює нулеві (фр = 0).

При резонансі струмів відношення струму індуктивного або ємнісного до струму в нерозгалуженій частині кола дорівнює відношенню хвильової провідності YXB = i/zxb = У^С/L до активної провідності кола С.

Реактивні провідності при резонансі