Форма кривой тока в цепи с вентильными сопротивлениями.

Нелинейное сопротивление с односторонней проводимостью, т.е. с резко несимметричной характеристикой, называется электрическим вентилем.

Это меднозакисные, селеновые, германиевые, кремниевые и другие полупроводниковые вентили, газотроны, тиратроны и электронные лампы всех типов. На рис 1-1 показана статическая вольт-амперная характеристика для мгновенных значений напряжения и тока подобных элементов.

В зависимости от реальных параметров цепи её можно представить в виде ломаных линий. Этот приём называется кусочно-линейной аппроксимацией.

Простейший вид аппроксимации – это идеальный вентиль. На рис. 1-2 показана вольт-амперная характеристика идеального вентиля.

Если на анод подать “плюс”, а на катод “минус”, то вентиль открывается и сопротивление вентиля в прямом направлении равняется нулю.

Если на анод подать “минус”, а на катод “плюс”, то вентиль закрывается и сопротивление вентиля в обратном направлении равно бесконечности, что соответствует разрыву цепи. Идеальный вентиль – это фактически ключ, у которого два состояния “открыто”, “закрыто”.

Вольт-амперная характеристика идеального вентиля часто используется при расчетах выпрямителей с полупроводниковыми диодами.

Если надо учесть, что в открытом состоянии у вентиля есть сопротивление, то в схему замещения вводится резистор сопротивлением , включенным последовательно с вентилем (рис.1-3):

Прямая ветвь в этом случае представляет прямую линию, наклон которой зависит от сопротивления вентиля в открытом состоянии. Обратная ветвь такая же, как и у идеального вентиля, т.е. .

Ртутные вентили, газотроны, тиратроны открываются при достижении на обкладках напряжения зажигания . В этот момент вспыхивает дуга и вентиль открывается (рис.1-4).

В схеме замещения появляется ЭДС “Е” равная напряжению зажигания и направленная встречно току открытого вентиля. Прямое сопротивление равно нулю, обратное сопротивление равно бесконечности.

Если у ртутных вентилей, газотронов, тиратронов надо учесть внутреннее сопротивление вентиля в открытом состоянии, то в схеме замещения появляется и резистор с сопротивлением , включенный последовательно с вентилем и ЭДС “Е” (рис.1-5).

Прямая ветвь представляет собой прямую линию, наклон которой зависит от величины сопротивления вентиля в открытом состоянии. Обратное сопротивление равно бесконечности.

Рассмотрим выпрямитель, состоящий из вентиля, с реальной вольт-амперной характеристикой , линейного резистора и последовательно с ними включенного источника синусоидального напряжения (рис.1-6).

Поскольку вентиль- это нелинейный элемент, то проще всего задачу можно решить графическим методом. На рис.1-7 показано графическое решение данной задачи.

Для схемы рис.1-6 второй закон Кирхгофа выглядит следующим образом:

(1-1)

Вольт-амперная характеристика резистора- это прямая линия, наклон которой зависит от величины сопротивления R. Через все элементы цепи рис.1-6 течет один и тот же ток . Результирующую вольт-амперную характеристику построим по точкам при нескольких выбранных значениях тока . Для каждого выбранного значения тока проводим линию параллельно оси напряжения и на ней графически складываем напряжение на вентиле и напряжение на резисторе . В результате получаем вольт-амперную характеристику всей цепи . Она и будет использована для графического решения данной задачи.

Параллельно оси напряжений проводится ещё одна ось , а вниз проводится ось . На этом графике будет откладываться питающее напряжение . Цифрами 1,2,3 обозначены различные амплитуды питающего напряжения . Поскольку у реального вентиля имеются прямая и обратная ветви вольт-амперной характеристики, то в цепи будут прямая и обратная полуволны тока. Но так как прямое сопротивление вентиля намного меньше обратного, то прямая полуволна тока будет больше обратной.

Графическое перестроение производится следующим образом. Берём синусоиду с самой большой амплитудой напряжения , обозначенной цифрой 1. Максимальное значение , соответственно переносим на результирующую кривую и с неё на график , расположенный справа. На график наносим точку для . То же самое проделываем с обратной ветвью результирующей кривой для значения . Так как прямая и обратная ветви результирующей кривой очень близки к прямым линиям, то прямая и обратная полуволны тока также близки к синусоидам. На графике i( ) цифрой 1 обозначена кривая, соответствующая выбранному напряжению.

Так же перестроения производятся с синусоидами, обозначенными цифрами 2 и 3.

В результате всех этих перестроений замечаем, что прямая и обратная полуволны тока различаются тем сильнее, чем больше амплитуда питающего напряжения . При достаточно большой амплитуде (например, кривой 1), отрицательной полуволной тока можно пренебречь, и считать, что кривая тока состоит только из положительных полуволн. При выпрямлении малых напряжений (например, кривая 3) ток обратной полуволны может оказаться одного порядка с током положительной полуволны. В этом случае выпрямляющее действие вентиля почти исчезает.