Айнымалы ток тізбегіндегі индуктивтік катушка

Пән: Электротехника
Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 17 бет
Таңдаулыға:

Айнымалы ток тізбегіндегі индуктивтік катушка.

Тізбектегі индуктивтік айнымалы ток күшіне әсер етеді. Мұны тәжірибемен оңай дәлелдеуге болады.

Индуктивтігі үлкен катушкадан және қыздыру электр шамынан тұратын тізбек құрайық. Осы тізбекті ажыратып-қосқыштың көмегімен не тұрақты кернеу көзіне, не айналмалы кернеу көзіне жалғауға болады.

Мұнда тұрақты кернеу мен айнымалы кернеудің әсерлік мәні өзара тең болуы тиіс. Кернеу тұрақты болғанда шам жарығырақ жанатынын тәжірибе көрсетеді. Ендеше, осы қараытырып отырған тізбекте айнымалы ток күшінің әсерлік мәні тұрақты ток күшінен аз екен.

Бұл өзіндік индукйия құбылысымен түсіндіріледі. Тұрақты ток көзіне катушканы тіркегенде тізбектегі ток күшінің біртіндеп артатынын 1 тараудың 8 параграфында айтылады. Ток күші көбее бастағанда өнетін құйынды элекрт өрісі электрондардың қозғалысын тежейді. Тек бірсыпыра уақыт өткенен кейін ғана ток күші (қалыптасқан) берілген тұрақты кернеуге сәйкес ең үлкен мәніне жетеді.

Егер кернеу тез өзгерсе, онда айнымалы ток күші тұрақты кернеу кезінде тиісті мәндеріне жетіп үлгермейді.

Ендеше, айнымалы ток күшінің максимал мәні (оның амплитудасы) тізбектің индуктивтігімен шектеледі де, индуктивтік және берілген кернеудің жиілігі неғұрлым көп болса, ол соғұрлым аз болады.

Актив кедергісі ескерілмейтін, тек қана катушка бар тізбектегі ток күшін анықтаймыз (43-сурет) . Ол үшін алдын ала катушкадағы кернеу мен ондағы өзіндік индукцияның ЭҚК-і арасындағы байланысты табамыз.

Егер катушканың кедергісі нөлге тең болса, онда кез келген уақыт мезетінде өткізгіш ішіндегі электр өрісінің кернеулігі де нөлге тең болуы тиіс. Ом заңы бойынша ток күші шексіз үлкен болар еді. Өріс кернеулігі нөлге тең болуы мүмкін, себебі айнымалы магнит өрісі тудыратын құйынды электр өрісінің кернеулігі Е кулондық өріс кернеулігіне модулі жағынан тең де, бағыты жағынан қарама-қарсы болады.

Енді теңдіктен құйынды өрістің меншікті жұмысының (яғни өздік индукциясының ЭҚК-і е ) кулондық өрістің меншікті жұмысына модулі жағынан тең, ал таңбасы жағынан қарама-қарсы екендігі шығады. Кулон өрісінің меншікті жұмысының катушка ұштарындағы кернеуге тең екенін ескеріп, былай деп жазуға болады:

Ток күші

гармоникалық заң бойынша өзгергенде, өздік индукцияның электр қозғаушы күші мынаған тең:

(2. 40)

Енді болғандықтан, катушка ұштарындағы кернеу былай анықталады:

мұнда - кернеудің амплетудасы.

43-сурет

Ендеше катушкадағы кернеудің тербелісі ток күшінің тербелістерінен -ге озады немесе ток күшінің тербелісі кернеудің тербелісінен кейін қалады.

Катушкадағы кернеу максимумға жеткен кезде ток күші нөлге тең (44-сурет) . Кернеу нөлге теңелген мезетте, ток күші - модулі бойынша мкасимал.

Катушкадағы ток күшін амплитудасы мыныған тең :

(2. 41)

Егер

(2. 42)

деп белгілеу енгізсек және ток күші мен кернеу амплитудасының орнына олардың әсерлік мәндерін пайдалансақ, мынаны табамыз:

(2. 43)

Цикілдік жиілік пен индуктивтіктің көбейтіндісіне тең болатын X _L шаманы индуктивтік кедергі деп атайды.

формула бойынша, ток күшінің әсерлік мәні кернеудің әсерлік мәні мен және индуктивтік кедергімен тұрақты ток тізбегіне арналған Ом заңы сияқты қатыспен байланысқан.

i _L u _i (t)

u _i I _L (t)

44-сурет

Индуктивтік кедергі жиілікке тәуелді. Тұрақты ток тегінде катушканың индуктивтігін «елемейді». кезінде индуктивтік кедергі нөлге тең (X _L =0) . Кернеу неғұрлым шапшаң өзгеретін болса, өзіндік индукцияның электр қозғаушы күші соғұрлым үлкен де, ток күшінің амплитудасы соғұрлым кіші.

Егер кескінделген тізбекті коректендіру үшін жиілігі реттелетін айнымалы ток генераторын алсақ, онда индуктивтік кедергінің жиілікке тәуелділігін жеңіл байқауға болады. Бұл жағдайда катушканың индуктивтігін өзгерту мүмкіндігін де қарастыру керек (мысалы, әртүлі орам санын қарап көру жолымен) . Жиілікті немесе индуктивтікті арттырған кезде тізбектегі ток күші азаяды және шамның жарығы бәсеңдейді. Бұл L және өсумен бірге, тізбектегі кедергінің артатынын көрсетеді.

Индуктивті катушка айнымалы токқа кедергі тудырады. Индуктивтік деп аталатын бұл кедергі жиіліктің индуктивтікке көбейтіндісіне тең болады. Индуктивтігі бар тізбектегі ток күшінің тербелісі фаза жағынан кернеудің тербелісінен -ге қалып отырады.

Электр тізбегіндегі резонанс

Еріксіз механикалық тербелісті оқығанда біз резонанс деген маңызды құбылыспен танысқан едік. Жүйе тербелістерінің меншікті жиілігі сыртқы күштің өзгеру жиілігімен дәл келсе, сол жағдайда резонанс байқалады. Егер үйкеліс аз болса, онда орныққан еріксіз тербелістің амплитудасы кенет артады.

Егер электр тізбегі белгілі бір меншікті тербеліс жиілігі бар тербелмелі контур болса, онда механикалық және электромагниттік тербеліс заңдарының дәл келуі, бірден-ақ тізбекте резонанс байқалады деген қортынды жасауға мүмкіндік береді.

үйкеліс коэффициентінің мәндері аз болғанда механикалық тербелісте резонанс айқын байқалады. Электр тізбегінде үйкеліс коэффиуиентінің ролін R актив кедергі атқарады. Тізбекте осы кедергінің болуының өзі токтың энергиясын өткізгіштің ішкі энергиясына айналдырады (өткізгіш қызады) . Сол себебте R актив кедергі аө болған кезде, электрик тербелмелі контурдың резонансы айқын байқалуы керек.

Егер актив кедергі аз болса, онда контурдағы тербелістердің меншікті жиілігі мына формуламен анықталады:

Контурдағы түсірілген айнымалы кернеудің жиілігі тербелмелі контурдың меншікті жиілігіне тең болғанда, яғни

, (2. 44)

еріксіз тербеліс кезіндегі ток күші максимал мәнге жету керек.

Сыртқы айнымалы кернеудің жиілігі тербелмелі контурдың меншікті жиілігімен бірдей болғанда, еріксіз тербеліс амплитудасының кенет арту құбылысын электірлік тербелмелі контурдағы резонанс деп атайды.

Резонанс ток күшінің амплитудасы. Механикалық резонанс жағдайындағы сияқты, тербелмелі контурдағы резонанс кезінде контурға келуі үшін қолайлы шарттар жасайды. Ток күші фаза жағынан кернеумен бірдей түскен контурдағы қуат максимал болады.

Сыртқы айнымалы кернеуді қосқаннан кейін бірден тізбекте токтың резонанстық мәні қалыптасады. Тербелістің қалыптасуы бірте-бірте болады. Резисторда бір период ішінде бөлініп шығатын энергия осы уақытта контурға түсетін энергиямен теңескенге дейін ток күші тербелісінің ампитудасы арта береді:

Бұл теңдеу ықшамдалғаннан кейін мына түрге келеді:

(2. 45)

Осыдан, резонанс кезіндегі ток күшінің қалыптасқан тербелісінің амплитудасы мына теңдеумен анықталатын болады:

(2. 46)

кезде ток күшінің резонанстық мәні шексіз өседі:

Керісінше, R артқан сайын ток күшінің максимал мәні кемиді де, R үлкен долғанда резонанс жайлы сөз қозғаудың мағынасы жоқ. Кедергілер әр түрлі болған жағдайда ток күші амплитудасының жиілікке тәуелділігі 45-суретте көрсетілген.

Резонанс кезінде ток күші өсуімен қабат конденсатордағы және индуктивтік катушкадағы кернеулер күрт артады:

Бұл кернеулер өзара бірдей болып теңеледі де, сыртқы кернеуден көп есе артып щығады. Бұдан мына тәжірибеде көз жеткізуге болады.

Электор тізбегіндегі резонансты бақылау үшін 46-суретте кескінделген схема бойынша қондырғы құрастыру керек. Мұнда жиелігі реттеліп отыратын сыртқы айнымалы кернеу көзі пайдаланылады. Сыртқы кернеу тербелісінің жиілігі біртіндеп арттыра отырып, амперметрмен өлшенетін тізбектегі ток күшінің және вольтметрмен өлшенетін конденсатордағы және индуктивтік катушкадағы кернеудің қалай өзгеретінін бақылауға болады. Бұл шамалар резонанс кезінде ондаған, тіпті жүздеген есе өседі.

Резонанстың радиобайланыста пайдаланылуы. Электр резонанс

46-сурет

құбылысты радиобайланысты жүзеге асыруға пайдаланылады. Хабарлаушы әр түрлі станциялардың радиотолқындары радиоқабылдағыштың антеннасында жиелігі әр қилы айнымалы ток тудырады, өйткені әрбір хабарлаушы радиостанция өз жиілігімен жұмыс істейді. Антенна мен тербелмелі контур индуктивті байланысты (47-сурет) . Электромагниттік индукция әсерінен катушка контурында тиісті жиеліктері бар айнымалы ЭҚК-тер және де осындай жиеліктердегі ток күшінің еріксіз тербелістері пайда болады. Осыны есте тұта отырып, былай делінеді: антеннада қоздырылған барлық жиеліктердің тербелістерінен, контур тек жиілігі контурдың меншікті

47-сурет

жиілігіне тең келетін тербелістерді ғана екшеп бөіп алады. Контурды керекті жиелікке дәл келтіру әдетте конденсатордың сиымдылығын өзгерту жолымен іске асырылады. Бұл радиоқабылдағышты белгілі бір радиостанцияғ сай келтіру деген сөз. Электр тізбегінде резонанс болу мүмкіндігін ескертудің қажеттігі. Қайсібір жағдайларда электр тізбегіндегі резонанс үлкен зиян келтіру мүмкін. Егер тізбек резонанс жағдайындағы жұмысқа сай есептелмесе, онда резонанстың пайда болуы апатқа әкеп соғады. Мөлшерден артық ток сымдары қыздырып күйдіреді. Үлкен кернеулерден изоляция тесіледі. Осы сияқты апаттар өткен ғасырда жиі болып тұратын, ол кезде электр тізбектерін дұрыс есептей білмейтін.

Еріксіз электромагниттік тербелістер кезінде резонанстың болуы, яғни сыртқы айнымалы кернеудің жиілігінің тербелістің меншікті жиілігімен дәл түскен кездегі ток күші мен кернеудің тербелісінің амплитудасының күрт артып кетуі мүмкін. Бүкіл радиобайланыс резонанс құбылысына негізделшен.

Транзисторлы генератор. Автотербелістер

Осыған дейін қарастырылған еріксіз тербелістер электр станцияларында генераторлар өндіретін айнымалы кернеудің әсерінен туындайтын. Осындай генераторлар радиобайланысқа қажетті жоғары жиілікті тербеліс шығара алмайды. Бұл үшін ротор шектен тыс үлкен жылдамдықтармен айналуы тиіс болар еді.

Жиілігі жоғары тербеліс шығарып алу үшін басқа құрылғыларды, мысалы, транзисторлы генераторды пайдаланады. Оның бұлай аталу себебі, оған енетін негізгі бөліктерінің бірі жартылай өткізгішті прибор - транзистор болып отыр. Генератор - күрделі прибор, оның жұмыс принципінің екжей-тегжейін білу оңай шаруа емес.

Автотербеліске жүйелер. Тізбектегі өшпейтін еріксіз тербелістер сыртқы периодтық кернеудің әсерінен жасалады. Бірақ өшпейтін тербелістерді басқа тәсілдермен де шығарып алуға болады.

Еркін тербеліске түскен жүйенің ішінде энергия көзі бар делік. Егер резистордағы энергия шығынының орнын толтыру үшін тербелмелі контурға энргияның түсуін жүйенің өзі реттеп отырса, онда ол жүйеде өшпейтін тербелістер пайда бола алады.

Жүйе ішіндегі көзден келетін энергияның есебінен өшпейтін тербеліс генерацияланатын жүйе автотербелмелі жүйе деп аталады. Сыртқы периодтық күштердің әсерінсіз-ақ жүйенің өзінде болатын тербелісті автотербеліс деп атайды.

Транзисторлы генератор - автотербелмелі жүйеге мысал бола алады. Ол сиымдылығы С конденсаторы және индуктивті L катушкасы бар тербелмелі контурдан, энергия көзінен және транзистордан тұрады.

Өшпейтін тербелістерді контурда қалай туғызуға болады? Егер тербелмелі контурдың конденсаторы зарятталған болса, онда контурда өшпейтін тербеліс пайда болатыны мәлім. Тербелістің әр периодының ақырында конденсатор пластиналарындағы зарядтың мәні периодтың бастапқы кезіндегіден гөрі кем болады. Толық заряд әрине сақталып қалады, бір пластинаның оң заряды және екіншінің теріс заряды модулі жағынан бірдей шамаға кемитін болады. Осының нәтижесінде тербеліс энергиясы кемиді, өйткені ол энергия формула бойынша зарядтың квадратына пропорционал. Тербеліс өшпеу үшін әр период сайын энергия шығымының орнын толтыру керек.

Пластина ток көзінің оң полюсіне қосылғанда - оң, ал теріс полюсіне қосылғанда - теріс зарядталатындай уақыт аралықтарында ғана конденсаторды ток көзіне қосу керек (48-сурет) .

48-сурет 49-сурет

Тек осы көзі конденсаторды зарядтай отырып, оның энергиясын толықтырады.

Конденсаторды, оның оң полюсіне жалғанған пластинканың заряды - теріс, теріс полюсіне жалғанғандікі - оң болған сәтте тізбектің кілтін тұйықтаса, онда конденсатор ток көзі рақылы разрядталады (49-сурет) . Бұл жағдайда конденсатордың энергиясы кемитін болады.

Демек, контурдың конденсаторына ұдайы қосулы тұрған тұрақты кернеу көзі онда өшпейтін тербелісті ұстап тұра алмайды. Энергия жарты период бойы контурға берілсе, ал келесі жарты периоды ток көзіне қайтып оралады. Контурда өшпейтін тербелістерді қалыптастыру үшін ток көзін контурға контерсаторға энергия берілу мүмкін болатын уақыт аралығында ғана қосу керек. Бұл үшін кілттің (көбінесе оны клапан деп те атайды) автоматты түрде жұмыс істеуін қамтамасыз ету қажет. Тербелістер жиілігі жоғары болатын кезде кілттің іс-қимылы аса шапшаң болуы тиіс. Сондай практика тұрғысынан инерциясыз кілт ретінде транзистор пайдаланылып жүр.

50-сурет

Транзистор деген, еске түсіре кетейік, үш түрлі жартылай өткізгіштен: эмиттер, база және коллектордан тұрады. Эмиттер мен коллектордың негізгі тасымалдаушылары, мысалы, кемтіктері (мұнымыз р -типті жартылай өткізгіштер), ал базаның қарама-қарсы таңбалы негізгі тасымалдаушылары, мысалы электрондары ( п -типті жартылай өткізгіштер) бар. Транзистор 50-суретте схема түрінде кескіндеп көрсетілген.

Транзисторлы генератордың жұмысы. Транзисторлы генератордың ықшам схемасы 51-суретте көрсетілген. Тербелмелі контур кернеу көзімен және транзистормен эмиттерге оң потенциал, ал коллекторға теріс потенциал берілетіндей болып тізбектей қосылады. Бұл жағдайда эмиттер-база ауысуы (эмиттерлік ауысуы) тура болады да, база-коллектор ауысуы (коллектор ауысуы) кері болып шығады, сондықтан тізбекте ток жүрмейді. Бұл 48, 49-суретте кескінделген кілттің ашық күйіне сәйкес.

Контур тізбегінде ток байда болып, тербеліс кезінде контурдың конденсаторын зарядтау үшін, конденсатордың жоғарғы пластинасы оң, ал төменгі пластинасы теріс зарядталатындай уақыт аралығында базаға эмиттермен салыстырғанда, теріс потенциал беру қажет (51-сурет) . Бұл 48-суретте кілттің жабық күйіне сәйкес.

Конденсатордың жоғарғы пластинасы теріс зарядталып, ал төменгісі оң зарядталатын уақыт аралықтарында контур тізбегінде ток болмауы тиіс. Ол үшін база потенциалы эмиттермен салыстырғанда оң болуы қажет.

Сонымен, контурдағы тербеліс энергиясының шығынын толтыру үшін эмиттерлік ауысуда кернеу контурдағы кернеудің тербелісімен қатаң үйлесе отырып, өз таңбасын периодты түрде өзгертуі тиіс. Басқаша айтқанда кері байланыс қажет дегнен сөз.

Қарастырылып отырған генератордағы кері байланыс - индуктивтік. Эмиттерлік ауысуға контурдың L индуктивтік катушкасымен индуктивті байланысқан L _байл индуктивтік катушка жалғанған. Электромагниттік индукцияның салдарынан, контурдағы тербеліс бірінші катушканың ұштарындағы, сонымен қатар эмиттерлік ауысудағы, кернеуді тербеліске келтіреді. Егер эмиттерлік ауысуда кернеу тербелісінің фазасы дұрыс таңдап алынса, онда контур тізбегіндегі токтың «түрткілері» қажетті уақыт аралығында контурға әсер етіп тұрады да, тербеліс өшпейді. Керісінше, контурдағы энергияны шығын көзден келетін энергиямен дәл теңгерілгенше, контурдағы тербелістің амплитудасы өсе береді. Бұл амплитуда, ток көзінің кернеуі неғұрлым көп болса, соғұрлым үлкен болады. Кернеудің артуы конденсаторды зарядтайтын ток «түрткілерін» күшейте түседі.

Контурдағы тербелістің жиілігі L индуктивтікпен және конденсатордың С сиымдылығының Томсон формуласы бойынша анықталады:

L мен С аз болғанда тербелістің жиілігі зор болады. Генератордағы тербелістердің болғанын (генератордың қозғанын) осилографтың көмегімен, оның вертикаль ауытқушы пластиналарына конденсатор кернеуін түсіру арқылы аңғаруға болады.

Транзисторлы генераторлар радиотехникалық көптеген қондырғыларда, атап айтқанда: радиоқабылдағыштарда, хабарлаушы радиостанцияларда, күшейткіштерде т. с. с. кеңінен қолданылып келеді. Олар қазіргі заманға электрондық есептеу машиналарда кең қолданылады.

Автотербелмелі жүйенің негізгі элементтері. Транзисторлы генераторды мысалға ала отырып, көптеген автотербелмелі жүйелерге тән негізгі элементтерді сұрыптауға болады (52-сурет) .

... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.