Критерии оценки пульсации выходного напряжения выпрямителя. Коэффициент пульсации

Критерии оценки пульсации выходного напряжения выпрямителя. Коэффициент пульсации

Для уменьшения пульсации напряжения у потребителя на выходе выпрямителя устанавливается специальное устройство, называемое сглаживающим фильтром, основное назначение которого уменьшить переменную составляющую выпрямленного напряжения. Простейшим фильтром является конденсатор большой емкости, включаемый параллельно приемнику выпрямленного напряжения. При таком включении конденсатор заряжается до амплитудного значения напряжения u 2 в моменты времени, когда напряжение u 2 превышает напряжение на конденсаторе (интервал времени t 1 -t 2 на рис. 6.7). В течение интервала времени t 2 -t 3 , когда напряжение u c u 2 , вентиль закрыт, а конденсатор разряжается через нагрузочный резистор R н. С момента времени t 3 процесс повторяется. При включении емкостного фильтра напряжение u н не уменьшается до нуля, а пульсирует в некоторых пределах, увеличивая среднее значение выпрямленного напряжения.

Большее уменьшение пульсации напряжения обеспечивают Г-образные фильтры, представляющие собой смешанные LC фильтры (рис. 6.8). Уменьшение пульсации LC фильтром объясняется шунтирующим действием конденсатора С ф для переменной составляющей выпрямленного напряжения и значительным падением этой составляющей напряжения на катушке L ф, которая называется дросселем. В результате доля переменной составляющей в выпрямленном напряжении резко снижается. Наряду с ослаблением переменной составляющей выпрямленного напряжения LC фильтр незначительно уменьшает и постоянную составляющую. Это происходит за счет падения напряжения на активном сопротивлении катушки. Если один Г-образный фильтр не обеспечивает необходимого уменьшения пульсации, последовательно включают несколько фильтров, например, Г-образный и емкостной фильтры, в совокупности дающие так называемый П-образный фильтр. На рис. 6.8 второй конденсатор П-образного фильтра указан пунктиром.

В реальных выпрямителях с ростом тока нагрузки выходное напряжение выпрямителя U ср уменьшается вследствие падений напряжения в активном сопротивлении обмоток трансформатора I∙R тр и последовательных элементах сглаживающего фильтра I∙R ф, а также падения напряжения на вентилях U пр. =I∙R пр . Нагрузочный ток и напряжение нагрузки U н связаны между собой следующим выражением:

U н =U хх –I∙R тр. –I∙R ф –I∙R пр. , (6.16)

где U хх - напряжение холостого хода выпрямителя. Зависимость U н = f(I) называется внешней характеристикой выпрямителя и определяет границы изменений тока, при которых выпрямленное напряжение не уменьшается ниже допустимой величины.

Рабочее задание

1. Технические данные электроизмерительных приборов, используемых в работе, занесите в таблицу 1.1. Форма таблицы приведена на странице 3.

2. Используя один из четырех вентилей, имеющихся на панели блока вентилей, соберите цепь, изображенную на рис. 6.9 и предъявите цепь для проверки преподавателю.

Рис. 6.9. Однополупериодная схема выпрямления

3. Элементы фильтра выпрямителя отключите, для этого тумблеры Т 1 и Т 2 разомкните, а тумблер Т 3 - замкните.

4. Автоматическим выключателем АП включите блок питания; при этом должна загореться сигнальная лампа.

5. Подготовьте осциллограф к работе, для чего:

а) шнур питания соедините с разъемом ’’сеть’’, расположенным на задней стенке осциллографа;

б) шнур питания соедините с клеммами, отмеченными знаком ’’~220’’, расположенным на панели блока питания стенда;

в) тумблером ’’сеть’’ включите осциллограф, при этом на передней панели осциллографа должна загореться сигнальная лампа;

г) через 2-3 минуты отрегулируйте яркость и фокусировку линии развертки на экране осциллографа с помощью ручек «Яркость» и «Фокус».

6. Проведите калибровку коэффициента отклонения луча, для чего:

а) тумблер, отмеченный знаком « », « » поставьте в положение « »;

б) переключатель, отмеченный знаком «V/см», «mV/см» поставьте в положение «20 mV/см»;

в) тумблер, отмеченный знаком « », расположенный на правой стенке осциллографа, поставьте в положение « »;

г) подключите соединительный кабель к гнезду, отмеченному знаком «1мΩ50pF»;

д) подключите штекеры соединительного кабеля к гнездам калибровочного напряжения 1В, расположенным на правой стенке осциллографа и отмеченным знаком «1V» (к штекеру с коротким проводом) и знаком «^» (к штекеру с длинным проводом). При этом на экране появится изображение двух горизонтальных линий;

е) ручкой «Усиление» установите расстояние между линиями, равное 5 см;Внимание: ВО ИЗБЕЖАНИЕ ПОЛОМОК, БОЛЬШИХ УСИЛИЙ К РУЧКЕ «УСИЛЕНИЕ» НЕ ПРИЛАГАТЬ!

ж) отключите штекеры соединительного кабеля от гнезд калибровочного напряжения 1В;

з) тумблер, отмеченный знаком « » поставьте в положение «–»;

и) переключатель, отмеченный знаком «V/см», «mV/см» поставьте в положение «2 V/см»;

ВЕЛИЧИНА ИЗМЕРЯЕМОГО НАПРЯЖЕНИЯ РАВНА 20 N В.

N -АМПЛИТУДА ИЗОБРАЖЕНИЯ НА ЭКРАНЕ В САНТИМЕТРАХ.

к) штекеры соединительного кабеля подключите к вентилю.

Таблица 6.1

Средние значения выпрямленного напряжения на нагрузочном резисторе и амплитудные значения обратного напряжения на вентилях при работе в однополупериодной и двухполупериодной мостовой схемах

ТИП ВЫПРЯМИТЕЛЯ U, B U ср,В U m. обр. , В (определятся по осциллографу) U ср / U U m.обр /U ср
Однополупериодный
Однополупериодный с емкостным фильтром С 1
Однополупериодный с емкостным фильтром С 1 +С 2
Однополупериодный с Г-образным LC фильтром
Однополупериодный с П-образным LC фильтром
Двухполупериодный
Двухполупериодный с емкостным фильтром С 1
Двухполупериодный с емкостным фильтром С 1 +С 2
Двухполупериодный с Г-образным LC фильтром
Двухполупериодный с П-образным LC фильтром

7.Замкните тумблер, отмеченный знаком «~ 24», расположенный на панели блока питания стенда; при этом на панели блока вентилей должна загореться сигнальная лампа.

8.Тумблеры Т 1 и Т 2 разомкните, а тумблер Т 3 замкните.

9. Вольтметром магнитоэлектрической системы измерьте значение выпрямленного напряжения на нагрузочном резисторе U ср, а осциллографом - амплитудное значение обратного напряжения U m.обр. на вентиле. Показания приборов занесите в первую строку таблицы 6.1.

10. Замкните тумблер Т 1 . Показания приборов занесите во вторую строку таблицы 6.1.

11. Замкните тумблер Т 2 . Показания приборов занесите в таблицу 6.1.

12. Разомкните тумблеры Т 1 и Т 3 . Показания приборов занесите в таблицу 6.1.

13. Тумблер Т 1 замкните. Показания приборов занесите в таблицу 6.1.

14. Штекеры соединительного кабеля переключите на нагрузочный резистор.

Для всех строк таблицы 6.1. зарисуйте или сфотографируйте осциллограммы выпрямленного напряжения.

15. Разомкните тумблер, отмеченный знаком «~ 24», расположенный на панели блока питания стенда, при этом на панели блока вентилей должна погаснуть сигнальная лампа.

Рис.6.10. Мостовая схема выпрямления

16. Соберите мостовую схему выпрямителя, изображенную на рис.6.10, и предъявите ее для проверки преподавателю.

17. Выполните пункты 6-14.

18. Выключите блок питания стенда.

Обработка результатов

1. Сравните значения U ср /U с теоретическими значениями для соответствующих схем выпрямления. Сделайте вывод о влиянии схемы выпрямления на величину выпрямленного напряжения.

2. Сделайте вывод о влиянии емкостного фильтра и величины емкости на величину выпрямленного напряжения.

3. Сделайте вывод о влиянии LC фильтров на величину выпрямленного напряжения.

4. Объясните влияние дросселя на величину выпрямленного напряжения при использовании LC фильтров.

5. На основании анализа осциллограмм сделайте вывод о влиянии схемы выпрямления на величину пульсации выпрямленного напряжения.

6. Сделайте вывод о влиянии емкостного фильтра и величины емкости на пульсацию выпрямленного напряжения.

7. Сделайте вывод о влиянии LC фильтров на пульсацию выпрямленного напряжения.

8. Сравните измеренные значения обратного напряжения на вентиле и сделайте вывод о влиянии схемы выпрямления и типа применяемого фильтра на величину обратного напряжения.

9. Сравните теоретические значения допустимого обратного напряжения, вычисленные по формулам (6.8), (6.14), при работе выпрямителей без фильтров со всеми экспериментальными значениями обратного напряжения и дайте рекомендации по выбору вентилей для работы выпрямителей с фильтрами.

10. Дайте мотивированное заключение о предпочтительности одной из исследованных схем выпрямления перед другими.

Контрольные вопросы

1. Что такое p-n переход?

2. При каком потенциале на p области p-n переход проводит ток?

3. Когда происходит пробой p-n перехода?

4. Почему p-n переход обладает односторонней проводимостью?

5. Зависит ли проводимость p-n перехода от величины приложенного напряжения?

6. Какое включение p-n перехода называется прямым?

7. Как меняется сопротивление запирающего слоя при увеличении обратного напряжения?

8. Как меняется сопротивление запирающего слоя при увеличении прямого напряжения?

Ответы на контрольные вопросы лаба №1

    Какие преимущества имеет схема двухполупериодного выпрямителя по сравнению с однополупериодной?

Во-первых, ток проходит через вторичную обмотку транзистора в течении каждого полупериода в разных направлениях.

Во-вторых, частота пульсаций вдвое больше и равна 100 Гц, так как за период напряжения сети ток в нагрузке и напряжение на ней дважды достигают максимума.

В-третьих, его выходное сопротивление вдвое меньше.

В-четвёртых, коэффициент пульсаций меньше и равен 0,67.

    В чём преимущество мостовой схемы выпрямителя по сравнению со схемой двухполупериодного выпрямителя?

Диоды могут быть рассчитаны на вдвое меньшее обратное напряжение, так как оно равно амплитуде переменного напряжения на вторичной обмотке.

    Начертите схему мостового выпрямителя со сглаживающим фильтром и покажите пути протекания тока.

    Сравните свойства сглаживающих LC- и RC-фильтров.

Особенностью LC -фильтров является небольшие потери, позволяющие применить их в устройствах с относительно большим током нагрузки. В маломощных выпрямителях (ток до 10-15 мА) можно применять RC -фильтры. Их недостатком является низкий КПД.

    Для чего диоды в выпрямителях могут соединяться последовательно?

Последовательное включение выпрямительных диодов делается тогда, когда необходимо увеличить суммарное допустимое обратное напряжение, прикладываемое к каждому из них.

    Почему при последовательном соединении полупроводниковых диодов в выпрямителе их шунтируют резисторами?

Обратные сопротивления выпрямительных диодов имеют большой разброс (различия достигают до одного-двух порядков), поэтому обратное напряжение, приложенное к цепи последовательно соединенных диодов, распределится неравномерно, а пропорционально их обратным сопротивлениям. Наибольшее падение напряжения будет на диоде с большим обратным сопротивлением. Это может привести к электрическому, а затем тепловому пробою р-п перехода этого диода; после этого обратное напряжение распределится между оставшимися диодами. Произойдет пробой следующего диода, у которого обратное сопротивление перехода наибольшее среди оставшихся диодов. И так один за другим диоды выйдут из строя. Чтобы этого не произошло, следует уравнять падения обратных напряжений на диодах последовательной цепочки путем шунтирования их резисторами одинакового сопротивления. Сопротивление шунтирующего резистора подбирается большим, чтобы исключить большие потери мощности на нем

    Что такое коэффициент сглаживания фильтра и как зависит его величина от ёмкости конденсаторов фильтра и тока нагрузки.

Важной характеристикой фильтров является коэффициент сглаживания - , где: - коэффициент пульсаций на входе фильтра, - коэффициент пульсаций на выходе фильтра.

При увеличении тока нагрузки амплитуда пульсаций на выходе емкостного фильтра увеличивается, а индуктивного - уменьшается. Поэтому емкостной фильтр выгодно применять при малых, а индуктивный при больших токах нагрузки. Увеличение ёмкости конденсатора уменьшает амплитуда пульсации.

    С какой частотой пульсирует напряжение на нагрузке в случае однополупериодного выпрямителя, двухполупериодного?

В случае однополупериодного выпрямителя частота пульсации напряжения на нагрузке равна входной частоте пульсаций (50 Гц), двухполупериодного - в два раза больше (100 Гц).

    Какую функцию выполняют конденсаторы C 1 , C 2 и дроссель в сглаживающем фильтре?

Конденсаторы используются для сглаживания пульсаций напряжения, а дроссели, чтобы емкости этих конденсаторов не складывались.

    Приведите пример схемы умножения напряжения.

Схемы с удвоением напряжения:

    Как влияет ёмкость конденсаторов фильтра и сопротивление нагрузки на амплитуду пульсации?

При увеличении тока нагрузки амплитуда пульсаций на выходе емкостного фильтра увеличивается, а индуктивного - уменьшается. Увеличение ёмкости конденсатора уменьшает амплитуда пульсации.

    Почему при малом токе нагрузки дроссель плохо сглаживает пульсации на выходе выпрямителя?

При возрастании тока нагрузки происходит увеличение энергии, накапливаемой в дросселе, при этом увеличивается ЭДС самоиндукции, что препятствует прохождению в нагрузку переменной составляющей тока. При этом улучшаются сглаживающие свойства фильтра.

Ответы на контрольные вопросы лаба№5

1. При каком включении транзистора входное сопротивление усилительного каскада наименьшее?

Схема с Общей Базой.

2. При каком включении транзистора усилительный каскад имеет наибольшее входное сопротивление?

Схема с Общем Коллектором.

3. Какой усилитель называют эмиттерным повторителем? Каковы его назначения, свойства?

Усилитель с ОК. Эмиттерный повторитель необходим чтоб обеспечить большое входное сопротивление усилителя.

4. Объясните назначение элементов, входящих в схему резистивно-ёмкостного усилителя на транзисторах.

Цепь R Б1 и R Б2 – это делитель напряжения источника постоянного тока. Нужен для подачи на базу напряжения, с помощью которого задаётся ток базы и тем самым устанавливается положение рабочей точки на статические вольтамперные характеристики транзистора.

R К – резистор нагрузки. По постоянному току задаёт напряжение на коллекторе, которое определяет положение рабочей точки транзистора. По переменному является нагрузкой усилителя.

R Э – это резистор температурной стабилизации положения рабочей точки транзистора

С Э – устраняет отрицательную обратную связь по переменному току.

С Р – разделительные конденсаторы. .

5. Как подаётся смещение на транзистор типа р-n-р при его включении по схеме с общим эмиттером?

В схеме с ОЭ режим транзистора по постоянному току создают: элементы R Э, С Э – цепь температурной стабилизации; R Б1 , R Б2 – делитель, создающий напряжение смещения на базе. Смещение фиксированным напряжением даёт хорошие результаты при замене транзистора и изменении температуры. Однако он не экономичен из-за потери части энергии источника питания в делителе напряжения R Б1 , R Б2 .

6. Что такое активный режим работы транзистора?

Работая в активном режиме транзистор усиливает электрический сигнал. Получить этот режим можно включив эмиттерный переход в прямом направлении, а коллекторный в обратном.

7. Что происходит с рабочей точкой транзистора при изменении сопротивления резисторов R Б1 и R Б2 ?

При изменении сопротивления резисторов R 1 и R 2 рабочая точка смещается.

8. Как изменится усиление каскада (схема с ОЭ), если исключить из него конденсатор С Э?

Каскад перестаёт усиливать сигнал.

9. Какие элементы схемы влияют на АЧХ усилителя в области нижних и верхних частот сигнала?

В области низких частот искажения зависят разделительной ёмкости С Р. Спад АЧХ в области высоких частот обусловлен ёмкостью нагрузки, если она имеется.

10. Как проявляют себя нелинейные искажения при усилении синусоидальных сигналов?

Нелинейные искажения возникают из-за того, что вольтамперные характеристики транзисторов не линейны. В результате в усилителях возникают сигналы которых не было на входе усилителя, частоты этих сигналов кратны частоте входного сигнала и носят названия гармоник. Номер гармоники целочисленный и её амплитуда обычно обратно пропорциональна их номеру.

Ответы на контрольные вопросы лаба №3

    Чем отличаются собственная и примесная электропроводности полупроводников?

Собственная проводимость возникает в результате перехода электронов с верхних уровней валентной зоны в зону проводимости.

Примесная проводимость возникает, если некоторые атомы данного полупроводника заменить в узлах кристаллической решётки атомами, валентность которых отличается на единицу от валентности основных атомов. В отличие от случая, рассмотренного выше, образование свободного электрона не сопровождается нарушением ковалентных связей, т. е. образованием дырки.

    Опишите возникновение и свойства p-n перехода.

p-n переход это тонкий слой на границе между двумя областями одного и того же кристалла. Чтоб изготовить такой переход берут, например, монокристалл из очень чистого германия с электронным механизмом проводимости. В вырезанную из кристалла тонкую пластинку вплавляют с одной стороны кусочек индия. Во время этой операции, которая осуществляется в вакууме или в атмосфере инертного газа, атомы индия диффундируют в германий на некоторую глубину. В той области, в которую проникают атомы индия, проводимость германия становится дырочной. На границе этой области возникает p-n переход. Существуют и другие способы получения p-n переходов.

    Опишите устройство и принцип действия биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером.

Транзистор, или полупроводниковый триод, являясь управляемым элементом, нашел широкое применение в схемах усиления, а также в импульсных схемах. Отсутствие накала, малые габариты и стоимость, высокая надежность.

Биполярный транзистор представляет собой трехслойную полупроводниковую структуру с чередующимися типом электропроводности слоев и содержит два p-n перехода. И конечно же существуют транзисторы типов p-n-p и n-p-n . В качестве исходного материала для получения трехслойной структуры используют германий и кремний.

    Начертите и поясните вид входных и выходных характеристик транзистора при включении его по схеме с общим эмиттером.

А) Семейство входных характеристик () при При входная ВАХ имеет вид прямой ветви ВАХ электронно-дырочного перехода, поскольку эмиттерный переход (ЭП) и коллекторный переход (КП) при этом смещены в прямом направлении и соединены параллельно друг другу ( и внутреннее сопротивление этой эдс равно нулю. При входная ВАХ смещена вправо вследствие дополнительного падения напряжения на ЭП от протекающего по транзистору коллекторного тока. Это падение напряжения существует даже при отсутствии тока базы и соответствует участку «о-а»

Б) Семейство выходных характеристик () при изображено на рис. 14.2, б. При выходная ВАХ имеет вид обратной ветви ВАХ электронно-дырочного перехода, увеличенной в () раз (где – коэффициент передачи тока), поскольку КП при этом смещен в обратном направлении. При увеличении тока базы выходные ВАХ смещаются вверх на величину .

    Какие ещё имеются схемы включения биполярного транзистора? Перечислите их основные свойства.

У схемы с ОК, самое большое входное сопротивление и самое маленькое выходное сопротивление по сравнению с другими схемами включения транзистора. Усилитель на данной схеме не усиливает по напряжению.

У схемы с ОБ, самое маленькое входное сопротивление и самое большое выходное сопротивление по сравнению с другими схемами включения транзистора.

    Перечислите и поясните физический смысл h-параметров транзистора. Как их определить из статических характеристик?

входное сопротивление, при коротком замыкании выходной цепи ;

коэффициент обратной связи по напряжению, при холостом ходе во входной цепи. Характеризует внутреннюю обратную связь между входной и выходной цепями транзистора;

коэффициент передачи тока, при котором замыкании выходной цепи;

выходная проводимость, при холостом ходе во входной цепи

    Как изменяется коэффициент h 21э при изменении h 21б?

Чем ближе h 21б к единице, тем больше h 21э.

    Почему транзистор, включённый по схеме с общим эмиттером, может обеспечить усиление по току?

Величина является основным параметром, определяющим усилительные свойства биполярного транзистора. , так как , то транзистор включённый по схеме с ОЭ усиливает сигнал.

    Почему входное сопротивление транзистора в схеме с общим эмиттером больше, чем в схеме с общей базой?

В отличии от схемы с ОЭ, в схеме с ОБ входной сигнал поступает на эмиттерный переход, который включён в прямом направлении и не препятствует протеканию тока.

    Почему значение h 21э превышает 1?

Потому что .

    Какие электрические параметры характеризуют положение рабочей точки на статических характеристиках транзистора?

    Каковы особенности активного режима работы транзистора? Какие ещё режимы работы транзистора вам известны?

Работая в активном режиме транзистор усиливает электрический сигнал.

Насыщения – можно получить включив оба p-n перехода в прямом направлении.

Отсечки – можно получить включив оба p-n перехода в обратном направлении.

Вывод: Я исследовал статические характеристики биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером и определение его основных параметров. В упражнение 1 при

U КЭ, В=0 график в конце отклонился вверх от других значений.

Контрольные вопросы №1-Ц

  1. Дайте определение основных логических операций и, или, не.

Дизъюнкция(ИЛИ) - это сложное логическое выражение, которое истинно, если хотя бы одно из простых логических выражений истинно и ложно тогда и только тогда, когда оба простых логических вырожения ложны.

Обозначение: F = A + B.

Конъюнкция(И) - это сложное логическое выражение, которое считается истинным в том и только том случае, когда оба простых выражения являются истинными, во всех остальных случаях данное сложеное выражение ложно.

Обозначение: F = A & B.

Инверсия(НЕ,Орицание) - это сложное логическое выражение, если исходное логическое выражение истинно, то результат отрицания будет ложным, и наоборот, если исходное логическое выражение ложно, то результат отрицания будет истинным. Другими простыми слова, данная операция означает, что к исходному логическому выражению добавляется частица НЕ или слова НЕВЕРНО, ЧТО

    На каких элементах могут быть реализованы основные логические функции?

С помощью только одних элементов ИЛИ - НЕ или только элементов И - НЕ, путем различных включений их друг с другом можно выполнить любую логическую функцию .

    Разработайте схемы электромеханических аналогов устройств для реализации логических функций И. ИЛИ, НЕ, 2И-НЕ, 2ИЛИ-НЕ.

    В чем состоят достоинства интегральных логических схем?

Преимущества ИС является высокая надежность, малые размеры и масса.

Микросхемы экономичны и уменьшают расход электроэнергии и массу ИП

Интегральные схемы безынерционны.

    Нарисуйте интегральную схему базового элемента ТТЛ и поясните его работу.

Основой транзисторно-транзисторной логики является базовый элемент на основе многоэмиттерного транзистора Т1 который легко реализуется в едином технологическом цикле с транзистором Т2. В ТТЛ-логике многоэмиттерный транзистор осуществляет в положительной логике операцию И, а на транзисторе Т2 собран инвертор. Таким образом, по данной схеме реализован базис И–НЕ.

В случае подачи на все входы схемы высокого потенциала, все переходы эмиттер–база транзистора Т1 окажутся запертыми так как потенциал в точке A примерно равен входным сигналам. В то же время, переход база–коллектор будет открытым, поэтому по цепи Eп – R1 – база Т1 – коллектор Т1 – база Т2 – эмиттер Т2 – корпус течет ток Iб нас, который открывает транзистор Т2 и вводит его в насыщение. Потенциал на выходе схемы оказывается близким к нулю (на уровне ≈ 0,1 В). Сопротивление R1 подобрано таким, чтобы, за счет падения напряжения на нем от тока Iб нас транзистора Т2, потенциал в точке A был бы ниже, чем потенциал входов, и эмиттеры Т1 оставались бы запертыми.

При подаче низкого потенциала логического нуля хотя бы на один из входов открывается этот переход эмиттер–база транзистора Т1, появляется значительный ток Iэ и потенциал в точке A, равный, приближается к нулевому. Разность потенциалов между базой и эмиттером Т2 также становится равной нулю, ток Iб транзистора Т2 прекращается, и он закрывается (переходит в режим отсечки). В результате выходное напряжение приобретает значение, равное напряжению питания (логической единицы).

Существенным недостатком рассмотренной схемы элемента И–НЕ являются низкие нагрузочная способность и экономичность ее инвертора, поэтому в практических схемах используют более сложный инвертор

Справочный материал по электронике

1. Элементная база современных электронных устройств

Электронный блок или электронное устройство содержит практически все основные элементы - резисторы, конденсаторы, а также полупроводниковые прибо­ры: диоды, транзисторы, интегральные схемы (ИС) и микро-ЭВМ.

Диоды и транзисторы используются для выпрямления или усиления сигналов. Поэтому их принято называть активными элементами . В отличие от них резисторы и конденсаторы слу­жат только для передачи сигналов. В этой связи их принято называть пассивными элементами.

Рис.1. Конденсатор постоянной ёмкости -1, переменный конденсатор -2, электролитический конденсатор - 3, постоянный резистор -4, переменный резистор -5, терморезистор – 6.

Ток заряда конденсатора,

постоянная времени заряда конденсатора через резистор,

Ток в цепи с резистором (закон Ома),

Сопротивление цепи.

Эквивалентная емкость параллельно соединенных конденсаторов:

При последовательном соединении:

Рис.2. Трансформатор однофазный – 1, катушка индуктивности – 2, трёхфазный трансформатор звезда/звезда – 3 и звезда/треугольник -4, автотрансформатор -5.

Рис.3. Полевые (униполярные) транзисторы. С изолированным затвором – 2.

Рис.4. Биполярный транзистор (его выводы: Б - база, К – коллектор, Э – эмиттер) – 1, стабилитрон – 2, тиристор – 3, варикап – 4, выпрямительный диод – 5.

Рис.5. Стабилизатор напряжения на стабилитроне VD и его ВАХ.

Рис.6. ВАХ тиристора.

Рис.7. ВАХ выпрямительного диода.

Рис.8. Зависимость ёмкости от напряжения варикапа.

Рис. 9. Светодиод – 1, фотодиод – 2, фототранзистор – 3.

Рис.10. Полевой (униполярный) транзистор с изолированным затвором – 1, микросхема (МС) - логический элемент «ИЛИ» - 2, полевой (униполярный) транзистор – 3, микросхема (МС) - логический элемент «И» - 4, микросхема (МС) - инвертор -5.

Рис.11. Схемы включения транзисторов: 1 – с общей базой, 2 – с общим эмиттером, 3 – с общим коллектором (эмиттерный повторитель).



2. Источники вторичного электропитания

а. Однофазный однополупериодный выпрямитель

Рис.1. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя и диаграммы напряжений. Верхняя – на входе выпрямителя, средняя – на выходе, нижняя – выпрямленный ток.

Частота пульсаций равна частоте переменного тока.

б . Однофазный двухполупериодный выпрямитель

Рис.2 а - схема мостового выпрямителя, б -

Частота пульсаций равна удвоенной частоте переменного тока.

Рис.3 а - схема нулевого выпрямителя, б - диаграммы напряжений и токов: верхняя - входное напряжение, средняя – выходное напряжение, нижняя – выпрямленного тока.


Обратное напряжение в 2 раза больше , чем у мостового. Частота пульсаций равна удвоенной частоте переменного тока.

в. Трехфазный нулевой выпрямитель

Рис.4 а - схема трехфазного нулевого выпрямителя, б - диаграммы напряжений: верхняя - входное напряжение, нижняя – выходное напряжение.

Частота пульсаций равна утроенной частоте переменного тока.

в. Трехфазный мостовой выпрямитель


Рис.5.Схема трехфазного мостового выпрямителя.

Рис.6 Диаграммы напряжений трехфазного мостового выпрямителя.

Частота пульсаций равна ушестерённой частоте переменного тока.

СГЛАЖИВАЮЩИЕ ФИЛЬТРЫ

Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения применяют сглаживающие фильтры. Их устанавливают на выходе выпрямителя. Схемы наиболее распространенных типов сглаживающих фильтров приведены на рисунках 1 - 4.

Эффективность сглаживающего фильтра оценивают отношением коэффициентов пульсаций входного (до фильтра) и выходного (после фильтра) напряжений: , где - коэффициент сглаживания; - коэффициенты пульсаций выпрямленного напряжения до и после фильтра.

Рис. 5 Диаграмма напряжений: 1 – на входе сглаживающего фильтра, 2 – на его выходе.

3. Аналоговая электроника

Усилители на транзисторах

Рис.1 Схемы включения транзисторов: 1 – с общей базой, 2 – с общим эмиттером, 3 – с общим коллектором.

Рис.2 Типовая схема усилительного каскада с общим эмиттером на биполярном транзисторе.

Рис.3 Характеристики усилительного каскада с общим эмиттером на биполярном транзисторе: динамическая входная характеристика , повернутая на 90 0 ; переходная характеристика ; выходные характеристики .

Точки С и А находятся в зоне насыщения , точки D и В соответственно в зоне отсечки , а точка покоя Q в рабочей зоне.

Рис.4 Диаграмма входного и выходного напряжения усилительного каскада с общим эмиттером на биполярном транзисторе.

Инверсия фазы учитывается знаком минус в формулах выходного напряжения и коэффициента усиления.

Усилители характеризуются рабочим диапазоном частот , внутри которого коэффициент усиления можно считать постоянным и определяется с помощью амплитудно–частотной характеристики (АЧХ).

Обратная связь


Введение обратной связи позволяет создавать не только усилители с необхомимыми свойствами, но и новые классы электронных схем с различными функциональными характеристиками (генераторы, стабилизаторы и т.д.)

Для усилителя с отрицательной обратной связью по напряжению получим:

При , коэффициент усиления с обратной связью равен . (Пример: операционный усилитель ОУ)

Рис.3 Схема дифференциального усилительного каскада.

Усилители на ОУ – это усилитель на основе интегрального усилителя постоянного тока.

Рис.4 Условное обозначение ОУ.

Параметры ОУ без обратной связи характеризуются следующими величинами:

где и - входное и выходное сопротивления ОУ, - коэффициент усиления по напряжению ОУ, - входной ток ОУ

Рис.5 Инвертирующий усилитель – а., б.

Коэффициент усиления

Рис.6 Неинвертирующий усилитель – а., диаграмма входного и выходного напряжения –б.

Коэффициент усиления по напряжению инвертирующего усилителя с обратной связью:

Рис.7 Схема суммирующего усилителя ,

Рис.8 Схема интегрирующего усилителя ,

И .

ИЗБИРАТЕЛЬНЫЙ УСИЛИТЕЛЬ

Избирательным называется усилитель, обладающий способностью выделять полезный сигнал, имеющий заданную частоту, из всего ряда сигналов, поступающих на вход усилителя. Такой усилитель в отличие от широкополосного усилителя имеет узкую полосу пропускания .

ГЕНЕРАТОРЫ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ

Генератор представляет собой преобразователь энергии источника постоянного тока в энергию периодических электрических колебаний. Генератор строится на основе усилителя с положительной обратной связью.

Пациенты на приеме нередко интересуются, какая физическая нагрузка безопасна и полезна для их сердца. Чаще всего этот вопрос возникает перед первым посещением спортзала. Параметров для контроля максимальной нагрузки много, но один из самых информативных – пульс. Его подсчет определяет частоту сердечных сокращений (ЧСС).

Почему важно контролировать сердцебиение при нагрузке? Чтобы лучше понять это, сначала постараюсь доступно объяснить физиологические основы адаптации сердечно-сосудистой системы к физической активности.

Сердечно-сосудистая система при нагрузке

На фоне нагрузки возрастает потребность тканей в кислороде. Гипоксия (нехватка кислорода) служит сигналом для организма о том, что ему необходимо повышение активности сердечно-сосудистой системы. Основная задача ССС – сделать так, чтобы поступление кислорода в ткани покрывало его затраты.

Сердце это мышечный орган, выполняющий насосную функцию. Чем активнее и результативнее оно перекачивает кровь, тем лучше органы и ткани обеспечены кислородом. Первый путь увеличения кровотока – ускорение работы сердца. Чем выше ЧСС, тем больший объем крови оно может «перекачать» за определенный промежуток времени.

Второй путь адаптации к нагрузке – увеличение ударного объема (количества крови, выбрасываемого в сосуды за одно сердечное сокращение). То есть, улучшение «качества» работы сердца: чем большим объем камер сердца занимает кровь, тем выше сократимость миокарда. За счет этого сердце начинает выталкивать больший объем крови. Указанное явление называется законом Франка-Старлинга.

Расчет пульса для разных зон нагрузки

По мере увеличения пульса при нагрузке организм претерпевает разные физиологические изменения. На этой особенности основаны расчеты ЧСС для разных пульсовых зон в спортивных тренировках. Каждая из зон соответствует проценту ЧСС от максимально возможного показателя. Их выбирают в зависимости от желаемой цели. Виды зон интенсивности:

  1. Терапевтическая зона. ЧСС – 50-60% от максимальной. Используется для укрепления сердечно-сосудистой системы.
  2. . 60-70%. Борьба с лишним весом.
  3. Зона силовой выносливости. 70-80%. Повышение устойчивости к интенсивным физическим нагрузкам.
  4. Зона совершенствования (тяжелая). 80-90%. Увеличение анаэробной выносливости – способности к длительным физическим нагрузкам, когда расход кислорода организмом выше, чем его поступление. Только для опытных спортсменов.
  5. Зона совершенствования (максимальная). 90-100%. Развитие спринтерской скорости.

Для безопасной тренировки сердечно-сосудистой системы используют пульсовую зону №1.

1. Сначала найти максимальную ЧСС (ЧССmax), для этого:

  • 220 – возраст (годы).
  • он находится от ЧССmax * 0,5 до ЧССmax * 0,6.

Пример расчета оптимального пульса для тренировки:

  • Пациенту 40 лет.
  • ЧССmax: 220 – 40 = 180 уд./мин.
  • Рекомендуемая зона №1: 180*0,5 до 180*0,6.

Расчет пульса для выбранной терапевтической зоны:

  1. 180*0,5 = 90
  2. 180*0,6 = 108

Целевой пульс при нагрузке для человека 40 лет должен нахожиться: от 90 до 108 уд./мин.

То есть нагрузки во время занятий нужно распределять так, чтобы частота пульса выписывалась в этот диапазон.

Возраст (годы) Рекомендованный пульс (уд./мин.)
Таблица с оптимальной частотой пульса для тренировки сердечно-сосудистой системы по возрасту.
20 100-120
25 97-117
30 95-114
35 92-111
40 90-108
45 87-105
50 85-102
55 82-99
60 80-96
65 и старше 70-84

На первый взгляд эти показатели ЧСС в пульсовой зоне №1 кажутся недостаточными для занятий, но это не так. Тренировки должны проходить постепенно, с медленным нарастанием целевого пульса. Почему? ССС должна «привыкнуть» к изменениям. Если неподготовленному человеку (даже относительно здоровому) сразу дать максимальную физическую нагрузку, то это закончится срывом адаптационных механизмов сердечно-сосудистой системы.

Границы пульсовых зон размыты, поэтому при положительной динамике и отсутствии противопоказаний возможен плавный переход в пульсовую зону №2 (c частотой пульса до 70% от максимальной). Безопасная тренировка сердечно-сосудистой системы ограничена первыми двумя пульсовыми зонами, так как нагрузки в них аэробные (поступление кислорода полностью компенсирует его расход). Начиная с 3-й пульсовой зоны происходит переход с аэробных нагрузок на анаэробные: тканям начинает не хватать поступающего кислорода.

Длительность занятий – от 20 до 50 минут, кратность – от 2 до 3 раз в неделю. Советую прибавлять к занятию не более чем по 5 минут каждые 2-3 недели. Необходимо обязательно ориентироваться на собственные ощущения. Тахикардия при нагрузке не должна вызывать дискомфорт. Завышенная при измерении характеристика пульса и ухудшение самочувствия, свидетельствует о чрезмерной физической нагрузке.

Показана умеренная физическая нагрузка. Основной ориентир – это возможность разговаривать во время пробежки. Если во время бега пульс и частота дыхания увеличились до рекомендуемых, но это не мешает вести беседу, то нагрузку можно считать умеренной.

Для тренировки сердца подойдут легкие и умеренные физические нагрузки. А именно:

  • : пешие прогулки по парку;
  • Скандинавская ходьба с палками (один из самых эффективных и безопасных видов кардиотренировки);
  • Бег трусцой;
  • Не быстрая езда на велосипеде или велотренажере под контролем пульса.

В условиях спортивного зала подойдет беговая дорожка. Расчет пульса такой же, как и для пульсовой зоны №1. Тренажер используют в режиме быстрой ходьбы без подъема полотна.

Какой допустим максимальный пульс?

Частота сердечных сокращений при нагрузках прямо пропорциональна величине нагрузок. Чем большую физическую работу выполняет организм, тем выше потребность тканей в кислороде и, следовательно, тем быстрее ЧСС.

Пульс у нетренированных людей в покое находится в диапазоне от 60 до 90 уд/мин. На фоне нагрузки физиологично и естественно для организма ускорение ЧСС на 60-80% от показателя в покое.

Адаптационные возможности сердца не безграничны, поэтому существует понятие «максимальная частота сердечных сокращений», ограничивающая интенсивность и продолжительность физической нагрузки. Это наибольшая величина ЧСС при максимальном усилии до момента крайнего утомления.

Высчитывается по формуле: 220 – возраст в годах. Вот пример: если человеку 40 лет, то для него ЧССmax–180 уд./мин. При расчете возможна погрешность на 10-15 уд./мин. Существует свыше 40 вариантов формул для подсчета максимальной ЧСС, но это более удобна для использования.

Ниже приведена таблица с допустимыми максимальными показателями пульса в зависимости от возраста и, при умеренной физической нагрузке (бег, быстрая ходьба).

Таблица целевой и максимальной ЧСС при физических нагрузках:

Возраст, годы Целевая ЧСС в зоне 50 – 85% от максимальной Максимальная ЧСС
20 100 – 170 200
30 95 – 162 190
35 93 – 157 185
40 90 – 153 180
45 88 – 149 175
50 85 – 145 170
55 83 – 140 165
60 80 – 136 160
65 78 – 132 155
70 75 - 128 150

Как проверить уровень тренированности?

Для проверки своих возможностей, существуют специальные тесты для проверки пульса, определяющие уровень тренированности человека при нагрузках. Основные виды:

  1. Степ-тест. Используют специальную ступеньку. В течение 3 минут выполняют четырехтактный шаг (последовательно забираются и спускаются со ступеньки). Через 2 минуты определяют пульс и сверяют с таблицей.
  2. Проба с приседаниями (Мартинэ-Кушелевского). Измеряют исходную частоту пульса. Выполняют 20 приседаний за 30 секунд. Оценка проводится по приросту пульса и скорости его восстановления.
  3. Проба Котова-Дешина. В основе – оценка пульса и АД после 3-х минут бега на месте. Для женщин и детей время сокращено до 2-х минут.
  4. . Похожа на пробу с приседаниями. Оценка проводится по индексу Руфье. Для этого пульс измеряют сидя до нагрузки, сразу после нее и через 1 минуту.
  5. Проба Летунова. Старый информативный тест, который использовался в спортивной медицине с 1937 года. Включает оценку пульса после 3-х видов нагрузок: приседаний, быстрого бега на месте, бега на месте с подниманием бедра.

Для самостоятельной проверки тренированности сердечно-сосудистой системы лучше ограничиться пробой с приседаниями. При наличии сердечно-сосудистых заболеваниях тесты можно проводить только под наблюдением специалистов.

Влияние физиологических особенностей

ЧСС у детей изначально выше, чем у взрослых. Так, для 2-летнего ребенка, находящегося в спокойном состоянии, абсолютной нормой считается пульс 115 уд./мин. При физической нагрузке у детей в отличии от взрослых ударный объем (количество крови, выбрасываемое сердцем в сосуды за одно сокращение), пульс и артериальное давление повышается сильнее. Чем младше ребенок, тем сильнее ускоряется пульс даже на незначительную нагрузку. УО при этом изменяется мало. Ближе к 13-15 годам показатели ЧСС становятся похожими на взрослые. Со временем ударный объем становится больше.

В пожилом возрасте тоже есть свои особенности показаний пульса при нагрузке. Ухудшение адаптивных способностей во многом связано со склеротическими изменениями в сосудах. Из-за того, что они становятся менее эластичными, возрастает периферическое сосудистое сопротивление. В отличие от молодых людей, у стариков чаще повышается и систолическое, и диастолическое АД. Сократительная способность сердца со временем становится меньше, поэтому адаптация к нагрузке происходит преимущественно за счет увеличения частоты пульса, а не УО.

Есть адаптационные отличия и в зависимости от пола. У мужчин кровоток улучшается в большей степени за счет увеличения ударного объема и в меньшей – за счет ускорения ЧСС. По этой причине пульс у мужчин, как правило, чуть меньше (на 6-8 уд/мин), чем у женщин.

У человека, профессионально занимающегося спортом, значительно развиты адаптивные механизмы. Брадикардия в покое для него является нормой. Пульс может быть ниже не только 60, но и 40-50 уд./мин.

Почему спортсменам комфортно с таким пульсом? Потому что на фоне тренировок у них увеличился ударный объем. Сердце спортсмена во время физических нагрузок сокращается гораздо эффективнее, что у нетренированного человека.

Как изменяется давление при нагрузке

Еще один параметр, который изменяется в ответ на физическую нагрузку – артериальное давление. Систолическое АД – давление, которые испытывают стенки сосудов в момент сокращения сердца (систолы). Диастолическое АД – тот же показатель, но во время расслабления миокарда (диастолы).

Повышение систолического АД является ответом организма на увеличение ударного объема, спровоцированного физической активностью. В норме систолическое АД увеличивается умеренно, до 15-30% (15-30 мм.рт.ст.).

Изменениям подвергается и диастолическое АД. У здорового человека во время физической активности оно может снижаться на 10-15% от исходного (в среднем, на 5-15 мм.рт.ст.). Это вызвано снижением периферического сосудистого сопротивления: чтобы увеличить поставку кислорода к тканям, кровеносные сосуды начинают расширяться. Но чаще колебания диастолического АД либо отсутствуют, либо незначительны.

Почему важно об этом помнить? Чтобы избежать ложной постановки диагноза. Например: АД 140/85 мм.рт.ст. сразу же после интенсивной физической нагрузки – не симптом гипертонической болезни. У здорового человека АД и пульс после нагрузки довольно быстро приходят в норму. Обычно на это уходит 2-4 минуты (зависит от тренированности). Поэтому АД и пульс для достоверности нужно обязательно перепроверять в покое и после отдыха.

Противопоказания к кардиотренировкам

Противопоказаний к занятиям в пульсовой зоне №1 мало. Определяются они индивидуально. Основные ограничения:

  • Гипертоническая болезнь. Опасность представляют резкие «скачки» артериального давления. Кардиотренировки при ГБ можно проводить только после должной коррекции АД.
  • Ишемическая болезнь сердца (инфаркт миокарда, стенокардия напряжения). Все нагрузки выполняют вне острого периода и только с разрешения лечащего врача. Физическая реабилитация у пациентов с ИБС имеет свои особенности и заслуживает отдельной статьи.
  • Воспалительные заболевания сердца. Под полным запретом нагрузки при эндокардите, миокардите. Кардиотренировку можно выполнять только после выздоровления.

Тахикардия при физических нагрузках – не просто беспричинное ускорение ЧСС. Это сложный комплекс адаптационных физиологических механизмов.

Контроль ЧСС – основа грамотной и безопасной тренировки сердечно-сосудистой системы.

Для своевременной коррекции нагрузки и возможности оценить результаты тренировок сердечно-сосудистой системы рекомендую вести дневник ЧСС и АД.

Автор статьи: Практикующий врач Чубейко В. О. Высшее медицинское образование (ОмГМУ с отличием, ученая степень: “кандидат медицинских наук”).

Начало жиросжигающей зоны

143 – 155 50% – 60%
зона легкой активности 132 – 143

коэффициент пульсации:

Отношение амплитуды к- ой гармоники к средневыпрямленному значению напряжения.

Выпрямители служат для преобразования переменного напряжения питающей сети в постоянное. Основными компонентами выпрямителей служат вентили – элементы с явно выраженной нелинейной вольт-амперной характеристикой. В качестве таких элементов используют кремниевые диоды.

Однополупериодный выпрямитель. Простейшим является однополупериодный выпрямитель (рис. 1.1.2). Напряжение и ток нагрузки имеют форму, показанную на рис. 1.1.3. Выходное напряжение меньше входного на величину падения напряжения на открытом диоде.


Рис. 1.1.2

Среднее значение выпрямленного напряжения:

Здесь – действующее значение входного напряжения. С помощью формулы (1.1.1) по заданному значению напряжения можно найти входное напряжение выпрямителя.

Максимальное обратное напряжение на диоде:

Максимальный ток диода:


Рис. 1.1.3

Важным параметром выпрямителя является коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения, равный отношению максимального и среднего напряжений. Для однополупериодного выпрямителя коэффициент пульсаций

Выпрямленные напряжение и ток в схеме на рис. 1.1.2 имеют большой уровень пульсаций. Поэтому на практике такую схему применяют в маломощных устройствах в тех случаях, когда не требуется высокая степень сглаживания выпрямленного напряжения.

Двухполупериодные выпрямители . Меньший уровень пульсаций выпрямленного напряжения можно получить в двухполупериодных выпрямителях. На рис. 1.1.4 показана схема выпрямителя с выводом от средней точки вторичной обмотки трансформатора.


Рис. 1.1.4

Во вторичной обмотке трансформатора индуцируются напряжения и , имеющие противоположную полярность. Диоды проводят ток поочередно, каждый в течение полупериода. В положительный полупериод открыт диод VD 1, а в отрицательный – диод VD 2. Ток в нагрузке имеет одинаковое направление в оба полупериода, поэтому напряжение на нагрузке имеет форму, показанную на рис. 1.1.5. Выходное напряжение меньше входного на величину падения напряжения на диоде.


Рис. 1.1.5

В двухполупериодном выпрямителе постоянная составляющая тока и напряжения увеличивается вдвое по сравнению с однополупериодной схемой:

Из последней формулы определим действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора:

Коэффициент пульсаций в данном случае значительно меньше, чем у однополупериодного выпрямителя:

Так как ток во вторичной обмотке трансформатора двухполупериодного выпрямителя синусоидальный, а не пульсирующий, он не содержит постоянной составляющей. Тепловые потери при этом уменьшаются, что позволяет уменьшить габариты трансформатора.



Существенным недостатком схемы на рис. 1.1.4 является то, что к запертому диоду приложено обратное напряжение, равное удвоенной амплитуде напряжения одного плеча вторичной обмотки трансформатора:

Поэтому необходимо выбирать диоды с большим обратным напряжением. Более рационально используются диоды в мостовом выпрямителе (рис. 1.6).


Рис. 1.1.6

Эта схема имеет такие же значения среднего напряжения и коэффициента пульсаций, что и схема выпрямителя с выводом от средней точки трансформатора. Ее преимущество в том, что обратное напряжения на диодах в два раза меньше. Кроме того, вторичная обмотка трансформатора содержит вдвое меньше витков, чем вторичная обмотка в схеме на рис. 1.1.4.

error: