Изобретение электричества история, применение, получение

6. Контрольные вопросы

1. Какую
   функцию выполняет схема выборки –
   хранения? Приведите временную диаграмму
   работы схемы. Объясните работу схемы
   в различных режимах.

2. Нарисуйте
   схему схема выборки – хранения. Объясните
   ее работу.

3. Какие
   величины характеризуют качество работы
   схема выборки – хранения?

4. Приведите
   схему точного выпрямителя и объясните
   ее работу. Приведите временные диаграммы
   работы схемы.

5. Как
   можно увеличить выходной ток ОУ.
   Нарисуйте ОУ с однополярным усилителем
   мощности. Объясните работу схемы.

6. Нарисуйте
   схему ОУ с двухполярным усилителем
   мощности. Объясните ее работу.

7. Какие
   недостатки имеют источники тока на
   транзисторах?

8. Нарисуйте
   схемы источников тока на ОУ с биполярным
   и полевым транзистором. Объясните
   работу схем. В каком диапазоне изменяется
   входное управляющее напряжение и
   выходной ток?

9. Нарисуйте
   схемы источников тока на ОУ с заземленной
   нагрузкой. Объясните работу схем. В
   каком диапазоне изменяется входное
   управляющее напряжение и выходной ток?

1. Структурная схема источника питания

Для работы электронных устройств
требуются источники питания постоянного
напряжения. Основным источником
электрической энергии является
электрическая сеть с эффективным
напряжением 220 В и частотой 50 Гц (в
некоторых странах 60 Гц). Преобразование
переменного напряжения электрической
сети в постоянные напряжения питания
электронных устройств осуществляется
с помощью источников вторичного питания
(ИВП) . Типовая структурная схема ИВП
приведена на рис.4.1.
Входное напряжение электрической сети
преобразуется трансформатором (обычно
понижается), выпрямляется, фильтруется
и стабилизируется.

Трансформатор понижает напряжение
электрической цепи до необходимого
уровня и обеспечивает гальваническую
развязку между источником электрической
энергии и нагрузкой. Гальваническая
развязка необходима для обеспечения
требований электрической безопасности.

Для
получения постоянного напряжения
необходимо разнополярное напряжения
с выхода трансформатора преобразовать
в однополярное напряжение. Такое
преобразование осуществляется
выпрямителем. Простейший выпрямитель
состоит из диода последовательно
включенного с нагрузкой (рис.4.2, а) При
поступлении положительной полярности
напряжения на анод диод отпирается и
через нагрузку протекает ток, определяемый
входным напряжением и величиной нагрузки.
При поступлении отрицательной полярности
напряжения диод закрывается, и ток в
нагрузку не поступает. На выходе
выпрямителя формируется сигнал, который
практически повторяет положительные
полуволны входного напряжения. Такие
выпрямители называются однополупериодными.
Сигнал на выходе существует только в
течение одного полупериода входного
сигнала. Однополупериодные выпрямители
используются для выпрямления сигналов
высокой частоты. Для выпрямления
напряжений низкой промышленной частоты
применяются двухполупериодные
выпрямители, в которых ток через нагрузку
протекает в течение всего периода
входного напряжения. Выходной сигнал
представляет собой положительные
полуволны входного напряжения в обоих
полупериодах. В настоящее время в ИВП
применяются двухполупериодные
выпрямители, выполненные по мостовой
схеме (рис. 4.2, б). Выпрямители, выполненные
по мостовой схеме, могут подключаться
к сети переменного тока и без трансформатора.
Такое включение используется, например,
в импульсных источниках питания, когда
не требуется гальваническая развязка
между электрической сетью и нагрузкой
выпрямителя.

Напряжение на выходе выпрямителя
однополярное, но имеет большие пульсации.
Для снижения уровня пульсаций напряжения
используется сглаживающий фильтр.
Фильтры могут быть емкостные,
индуктивно-емкостные, резистивно-емкостные.
Фильтр должен удовлетворять следующим
требованиям:

• фильтр должен обеспечивать необходимое
  сглаживание напряжения;

• потери напряжения на фильтре должны
  быть минимальными;

• фильтр должен иметь максимальное
  сопротивление для переменной составляющей
  тока и минимальное для постоянной.

Фильтр уменьшает только пульсации
переменной составляющей выпрямленного
напряжения, а величина постоянной
составляющей может изменяться при
колебаниях напряжения электрической
сети, при изменении тока нагрузки. Для
получения необходимой величины
постоянного напряжения на нагрузке
применяют стабилизаторы напряжений.

Законы Кирхгофа для разветвленных цепей.

Разветвленной
считают цепь, в которой можно выделить
два или более узла.
Узлом называется точка, в которой
сходятся более чем два проводника (рис.
5, точки 3 и 6).

Рис.5

К
таким цепям применимы законы Кирхгофа,
позволяющие провести полный расчет
цепи, т.е. определить токи в каждом
проводнике.

Первый
закон: алгебраическая сумма токов,
сходящихся в узле, равна нулю, т.е..
При этом токи, текущие к узлу, берутся
со знаком плюс, а токи, текущие от узла
— со знаком минус, или наоборот.

Второй
закон: в любом замкнутом контуре,
произвольно
выбранном в разветвленной цепи
проводников, алгебраическая сумма
произведений сил
токов на сопротивления соответствующих
участков цепи равна алгебраической
сумме ЭДС в этом контуре, т.е.
.

Для
составления уравнений по второму закону
Кирхгофа необходимо иметь
в виду следующие правила:

1. Произвольно
выбирается направление обхода контура
(по часовой стрелке или
против).

2. Произвольно
выбираются и обозначаются направления
токов во всех участках цепи, причем в
пределах одного участка (т.е. между
соседними узлами)
ток сохраняется как по величине, так и
по направлению.

1. Если
   выбранное направление обхода совпадает
   с направлением тока, то произведение
   тока на сопротивление i_xR_xберется
   со знаком «плюс», и наоборот.

1. Перед
   ЭДС
   ставится знак «плюс», если при
   обходе контура идем внутриисточника
   от отрицательного полюса к положительному,
   т.е. если на пути обхода
   контура потенциал возрастает.

Покажем
применение законов Кирхгофа на примере
цепи, приведенной на
рис.8. Направление токов показано на
чертеже. На основе 1-го закона Кирхгофа
для узла 3 имеем:
.
На основе 2-го закона Кирхгофадля
контура 12361 можно записать:
,
адля
контура 34563:
Если известны сопротивления участков
цепиr_x,
R_xи
включенные в них ЭДС
топриведенная
система 3-х уравнений позволяет рассчитать
токи, текущие в отдельных
проводниках.

Правила
Кирхгофа применимы не только для цепей
постоянного тока. Они справедливы и для
мгновенных значений тока и напряжения
цепей, в проводниках,
которых электрическое поле изменяется
сравнительно медленно.
Электромагнитное поле распространяется
по цепи со скоростью, равной
скорости света с.
Если
длина цепи
,
то до самой отдаленной точкицепи
ток дойдет за времяЕсли
за это время ток изменяется незначительно,
то мгновенные значения тока практически
по всей цепи будут одинаковыми
и могут, следовательно, описываться
законами, справедливыми для постоянных
токов. Токи, удовлетворяющие такому
условию называются квазистационарными
(как бы постоянными). Для изменяющихся
токов условие
квазистационарности имеет вид:

где
Т
—
период изменения тока. Это условие
выполняется при зарядке и разрядке
конденсатора и для переменных токов
промышленной частоты. Поэтому
к ним применимы правила Кирхгофа.

Дифференциальный усилительный каскад.

,

Эти
сигналы можно представить следующим
образом.

,

,

Выходное напряжение
также можно представить как сумму
синфазной и дифференциальной составляющей.

,

В
Общем сл. можно записать:

,
где
,
в сл. низкоомных ист..

,
.
Считаем, что причина разбалансировки
.
Здесь К – средний коэффициент усиления
дифференциального сигнала.

.
Если источник разбалансировки
и:.
Коэффициент подавления синфазной
составляющей,
где—
коэффициент асимметрии в дифференциальном
усилителе.

Входные сопротивления
различают для дифференциальной и
синфазной составляющей:

Для
дифференциальной составляющей:
-удвоенное
сопротивление каждой половины диф.
усилителя.

Для
синфазной составляющей
определяется сопротивлением источника
тока. Можно показать, что

Источник тока WiKi

Исто́чник то́ка (в теории электрических цепей) — элемент, двухполюсник, сила тока через который не зависит от напряжения на его зажимах (полюсах). Используются также термины генератор тока и идеальный источник тока.

Источник тока используется в качестве простейшей модели некоторых реальных источников электрической энергии или как часть более сложных моделей реальных источников, содержащих другие электрические элементы. Следует заметить, что электрические характеристики реальных источников могут быть близки к свойствам источника тока или его противоположности — источника напряжения.

В электротехнике источником тока называют любой источник электрической энергии.

Идеальный источник тока

Сила тока, текущего через идеальный источник тока, всегда одинакова по определению:

Напряжение на клеммах идеального источника тока (не путать с реальным источником!) зависит только от сопротивления R{\displaystyle R}  подключенной к нему нагрузки:

Мощность, отдаваемая источником тока в нагрузку:

Поскольку ток через идеальный источник тока всегда одинаков, то напряжение на его клеммах и мощность, передаваемая им в нагрузку, с ростом сопротивления нагрузки возрастают, достигая в пределе бесконечных значений.

Реальный источник

В линейном приближении любой реальный источник тока (не путать с описанным выше источником тока — моделью!) или иной двухполюсник может быть представлен в виде модели, содержащей, по меньшей мере, два элемента: идеальный источник и внутреннее сопротивление (проводимость). Одна из двух простейших моделей — модель Тевенина — содержит источник ЭДС, соединенный последовательно с сопротивлением, а другая, противоположная ей, модель Нортона — источник тока, соединенный параллельно с проводимостью (т. е. идеальным резистором, свойства которого принято характеризовать значением проводимости). Соответственно, реальный источник в линейном приближении может быть описан при помощи двух параметров: ЭДС E{\displaystyle {\mathcal {E}}}  источника напряжения (или силы тока I{\displaystyle I}  источника тока) и внутреннего сопротивления r{\displaystyle r}  (или внутренней проводимости y=1/r{\displaystyle y=1/r} ).

Можно показать, что реальный источник тока с внутренним сопротивлением r{\displaystyle r}  эквивалентен реальному источнику ЭДС, имеющему внутреннее сопротивление r{\displaystyle r}  и ЭДС E=I⋅r{\displaystyle {\mathcal {E}}=I\cdot r} .

Напряжение на клеммах реального источника тока равно

Сила тока в цепи равна

Мощность, отдаваемая реальным источником тока в сеть, равна

Реальные генераторы тока имеют различные ограничения (например, по напряжению на его выходе), а также нелинейные зависимости от внешних условий. В частности, реальные генераторы тока создают электрический ток только в некотором диапазоне напряжений, верхний порог которого зависит от напряжения питания источника. Таким образом, реальные источники тока имеют ограничения по нагрузке.

Источником тока является катушка индуктивности, по которой шёл ток от внешнего источника, в течение некоторого времени (t≪L/R{\displaystyle t\ll L/R} ) после отключения источника. Этим объясняется искрение контактов при быстром отключении индуктивной нагрузки: стремление к сохранению тока при резком возрастании сопротивления (появление воздушного зазора) приводит к резкому возрастанию напряжения между контактами и к пробою зазора.

Вторичная обмотка трансформатора тока, первичная обмотка которого последовательно включена в мощную линию переменного тока, может рассматриваться как почти идеальный источник переменного тока. Следовательно, размыкание вторичной цепи трансформатора тока недопустимо. Вместо этого при необходимости перекоммутации в цепи вторичной обмотки (без отключения линии) эту обмотку предварительно шунтируют.

Источники тока широко используются в аналоговой схемотехнике, например, для питания измерительных мостов, для питания каскадов дифференциальных усилителей, в частности операционных усилителей.

Концепция генератора тока используется для представления реальных электронных компонентов в виде эквивалентных схем. Для описания активных элементов для них вводятся эквивалентные схемы, содержащие управляемые генераторы:

В схеме токового зеркала (рисунок 2) ток нагрузки в правой ветви задается равным эталонному току в левой ветви, так что по отношению к нагрузке R2 эта схема выступает как источник тока.

Электрический ток

Проведём простой опыт. Поставим на столе два электрометра (А и Б) и зарядим один из них, например, электрометр А (см. рис. 1). Стрелка электрометра А отклонится. Соединим кондукторы электрометров металлическим стержнем, закрепленным на пластмассовой ручке. По отклонению стрелок видно, что заряд электрометра Ауменьшился, а незаряженный электрометр Бполучил заряд (см. рис. 2). Это значит, что в результате перемещения частиц, имеющих электрический заряд, часть электрического заряда перешла по стержню от одного прибора к другому. В этом случае говорят, что по стержню прошел электрический ток.

Рис.1. Зарядим электрометр А

Рис. 2. Соединение кондукторов металлическим стержнем

Электрический ток – это направленное упорядоченное движение заряженных частиц. Исходя из определения электрического тока, можно сформулировать одно из двух необходимых условий его возникновения и существования в любой среде. Очевидно, что всреде должны иметься свободные заряженные частицы, то есть такие частицы, которые могут перемещаться по всей среде (их еще называют носителями тока). Однако этого условия недостаточно, чтобы в среде возник и в течение длительного промежутка времени существовал электрический ток. Для создания и поддержания направленного движения свободных заряженных частиц также необходимо наличие электрического поля.Под действием этого поля движение свободных заряженных частиц приобретает упорядоченный (направленный) характер, что и означает появление в данной среде электрического тока.

Независимый источник — напряжение

Независимые источники напряжения должны обладать хорошей стабильностью, так как изменения их напряжения непосредственно отзываются на точности регулирования. Поэтому желательно избегать применения нестабилизированного напряжения и питать измерительные схемы от регулируемого напряжения или преобразованного из регулируемого напряжения. Принципиально возможно для всех классов схем применять включение обмоток управления на регулируемое напряжение с введением нелинейных сопротивлений. Введение нелинейных сопротивлений, как известно, можно считать эквивалентным включению встречного независимого напряжения в цепь с линейным сопротивлением.
 

Независимым источником напряжения называют идеализированный двухполюсный элемент, напряжение на зажимах которого не зависит от протекающего через него тока.
 

При последовательном соединении независимых источников напряжения они заменяются одним эквивалентным источником напряжения с задающим напряжением ит, равным алгебраической сумме задающих напряжений отдельных источников.
 

При последовательном соединении независимых источников напряжения они заменяются одним эквивалентным источником напряжения с задающим напряжением мг, равным алгебраической сумме задающих напряженки отдельных источников.
 

В предыдущем разделе рассматривались независимые источники напряжений, присоединенные к цепи. Возникает вопрос, что будет, если заменить их независимыми источниками токов, и каковы будут после такой замены узловые напряжения. Чтобы решить эту задачу, применим такие же понятия переменных токов и напряжений, как и прежде, но теперь токи будут играть роль независимых переменных.
 

Электромагниты отключения, работающие от независимого источника напряжения, выпускаются для работы на постоянном и переменном токе.
 

С этой целью в схему введены независимые источники напряжения.
 

Обмотка вовбуедения двигателя Д питается от независимого источника напряжения. Обмотка возбуадвния двигателя Г подключена к выходу усилителя. При увеличении тока возбуадения двигателя Г подача увеличивается.
 

В схеме с питанием каскадов от независимых источников напряжения ( рис. 3 — 26) напряжение, подаваемое из анодной цепи лампы Л в сеточную цепь лампы Л2 второго каскада, настолько велико, что может вывести ее из нормального режима.
 

У — звезд, в состав которых входят только зависимые и независимые источники напряжения или зависимые источники тока соответственно.
 

К точкам А и Б равновесного моста подведено питание от независимого источника напряжения. Половины обмоток возбуждения возбудителя ОВВ и усилителя ОУ включены в два плеча равновесного моста, в два других плеча включены сопротивления rlt равные по величине сопротивлениям половин обмоток. Якорь усилителя У включен в диагональ моста.
 

Источник идеального напряжения биполярная схема

Источник идеального напряжения — в конструкциях генераторов часто используются компараторы напряжения с точными значениями порогов, а компараторам, в свою очередь, нужны биполярные источники опорного напряжения. У большинства микросхем опорных источников выходное напряжение привязано к их нижней шине питания.

Если схеме нужны напряжения обеих полярностей, источник отрицательного опорного напряжения можно сделать, подключив к выходу микросхемы опорного источника инвертор с усилением -1. Однако если аналоговая схема питается от однополярного источника, синфазное напряжение необходимо сместить на определенный уровень. Для этой цели можно использовать схему, показанную на Рисунке 1.

Рисунок 1. С помощью этой схемы можно получить точные опорные напряжения 1,-1,1.25u-1.25В.

Источник идеального напряжения IС₁ с выходом V_REF, который подключен к неинвертирующему входу микросхемы IC₂ (AD8475). Эта микросхема представляет собой прецизионный усилитель-аттенюатор с дифференциальным выходом двумя выбираемыми коэффициентами усиления: 0.4 и 0.8. В данной схеме IC₂ включена как усилитель с коэффициентом усиления 0.8. Инвертирующий вход IC₂ (-IN) заземлен. Напряжения на его положительном и отрицательном выходах формируют опорные напряжения, привязанные к синфазному напряжению V_COM. Величины опорных напряжений равны

Коэффициенты усиления 0.4 и 0.8 микросхемы AD8475, благодаря лазерной подгонке внутренних резисторов обратной связи, имеют ошибку не более 0.05%. Именно по этой причине источник идеального напряжения IC₁ снабжен этой микросхемой. В типичной схеме включения устройства с коэффициентом усиления 0.8 выводы +VINO.4x и -V_IN0.4x оставляют неподключенными. Однако в схеме на Рисунке 1 эти входы соединены друг с другом, образуя прецизионный делитель 1:1 напряжения VREF.

К этому узлу подключается вход VCom микросхемы AD8475, и синфазная составляющая опорных напряжений становится равной VREF/2. Случай А в Таблице 1 показывает, что измеренное синфазное напряжение приблизительно на 0.6% ниже, чем V_REF/2. Это отличие связано с тем, что внутри микросхемы AD8475 вход V_COM через один резистор 200 кОм соединен с выводом V_s, а через другой резистор 200 кОм — с землей. Поэтому вход V_COM можно представить как источник напряжения V_S/2 = 2.5В с последовательным сопротивлением 100 кОм.

Это последовательное сопротивление оказывается включенным параллельно резистору R_+VINO.4x, что приводит к некоторому дисбалансу коэффициента деления 1:1. В случаях В и С вывод V_COM подключен к точке А. Компенсационный резистор R_COMP подключается только в случае С. В случаях В и С, глядя на значения V_GND, можно увидеть, что R_COMP уменьшает относительную ошибку напряжения на выходе СОМ с 0.632% до -0.032%.

Во многих приложениях важна только величина разности биполярных опорных напряжений, и этот дисбаланс на нее не влияет. Но если приложению требуется высокоточное синфазное напряжение, между выводом V_COM и землей можно включить компенсационный резистор 100 кОм, и тогда работа схемы будет соответствовать случаю С. Этот резистор почти полностью сохраняет точность коэффициента деления 1:1.

Схемы выходных каскадов

Как правило, выходные
каскады должны отдавать достаточно
большую мощность в низкоомную нагрузку.
Отсюда вытекают следующие требования:

1. 1. Большой
      выходной ток

   2. Большое
      выходное напряжение

   3. Низкое
      выходное сопротивление.

   4. Малая
      рассеиваемая мощность в режиме покоя
      – при отсутствии сигнала.

   5. Выходной
      каскад должен иметь средства защиты
      от К.З.

Простейший
вариант выходного каскада – эмиттерный
повторитель

,
но
(слишком велико). Поэтому, в выходных
каскадах применяются схемы, работающие
в режиме класса “B”,
либо “AB”.

При
переходе схемы из «1»-сост. во «2», U_вых,
изменяется на величину 2U_бэ.

Эта «мёртвая зона» в
выходном напряжении является характерной
для всех выходных каскадов, работающих
в режиме класса B, что приводит к появлению
искажений.

Зону
можно уменьшить до U_бэ,
путём присоединения доп. диода между
б.Т₂
и к.Т₁.

Одним
из возможных видов отказов является
перегорание выходного каскада при К.З.

Типичные реализации источника, генератора тока

Приведенные схемы обладают рядом серьезных недостатков. Схема A1 на полевом транзисторе — одна из худших реализаций. Рассчитать ее параметры невозможно, так как они зависят от индивидуальных особенностей экземпляра полевого транзистора. Нужный ток устанавливается подбором резистора. Схема может функционировать, когда сопротивление резистора равно 0. Дифференциальное сопротивление (а значит стабильность тока) схемы невысоко, нередко оно бывает меньше 200 кОм. На работу этого варианта сильно влияет температура полевого транзистора. Преимущество одно — это действительно двухполюсник. Он не требует подвода дополнительного питания

Это бывает очень важно в некоторых схемах

Схема A2 обладает гораздо лучшими характеристиками. В случае применения транзисторов с большим коэффициентом передачи тока, схема может иметь дифференциальное сопротивление выше 1 МОм (10 МОм, или даже больше). Но вывода у схемы не два, а три. Так что она может быть включена только в некоторые электронные схемы, в которых один вывод источника тока подключен к шине питания или общему проводу, и есть возможность подвести к одному из выводов общий провод или питание соответственно. На рисунке приведена схема с подключением к шине питания. Схема с подключением к общему проводу выглядит совершенно аналогично с той разницей, что ее надо перевернуть и поменять проводимость транзистора и полярность стабилитрона.

Обратите внимание, что в схеме в качестве источника опорного напряжения используется стабилитрон. Для стабилитронов характерна зависимость напряжения стабилизации от температуры

Помните об этом при проектировании источников тока. Стабилитрон может быть источником шумов. Чтобы уменьшить их влияние на работу устройства параллельно стабилитрону можно подключить керамический конденсатор емкость 0.1 мкФ.