сайты - меню - вход - но­во­сти


Задания
Версия для печати и копирования в MS Word
Тип 0 № 264
i

На вход схемы подаётся пе­ре­мен­ное си­ну­со­и­даль­ное на­пря­же­ние с ам­пли­ту­дой U0  =  12 В и

ча­сто­той f  =  50 Гц. Вольт‐ам­пер­ная ха­рак­те­ри­сти­ка ди­о­дов изоб­ра­же­на на ри­сун­ке, ёмкость C  =  2 · 10-3 Ф, па­ра­зит­ное со­про­тив­ле­ние R  =  1 кОм.

1.  Ключ K разо­мкнут. На­ри­суй­те за­ви­си­мость на­пря­же­ния UR на ре­зи­сто­ре R от вре­ме­ни. Чему равно мак­си­маль­ное на­пря­же­ние? Чему равен пе­ри­од этой за­ви­си­мо­сти? Какую долю пе­ри­о­да на­пря­же­ние равно нулю?

2.  Ключ K за­мы­ка­ют. На­ри­суй­те за­ви­си­мость на­пря­же­ния UR на ре­зи­сто­ре в этом слу­чае. Оце­ни­те ам­пли­ту­ду ко­ле­ба­ний на­пря­же­ния на ре­зи­сто­ре.

Спрятать решение

Ре­ше­ние.

По­сколь­ку каж­дый диод может про­пус­кать ток толь­ко в одном на­прав­ле­нии, то бла­го­да­ря схеме их со­еди­не­ния на­пря­же­ние на ре­зи­сто­ре (раз­ни­ца между по­тен­ци­а­ла­ми верх­ней и ниж­ней точек) будет все­гда не­от­ри­ца­тель­ным. В за­ви­си­мо­сти от знака на­пря­же­ния на ис­точ­ни­ке пи­та­ния ток будет течь либо через пару ди­о­дов №1 (левый ниж­ний и верх­ний пра­вый), либо через пару ди­о­дов №2 (пра­вый ниж­ний и верх­ний левый). При этом, если течёт ток через ре­зи­стор, па­де­ние на­пря­же­ния на ди­о­дах будет в сумме со­став­лять 1,2 В, то есть на ре­зи­сто­ре будет на­пря­же­ние |U| − 1,2 В, где U  — те­ку­щее на­пря­же­ние на ис­точ­ни­ке пи­та­ния. Если оно мень­ше чем по­ро­го­вое зна­че­ние |U| < 1,2 В, то ток течь не будет. В ре­зуль­та­те по­лу­ча­ем за­ви­си­мость на­пря­же­ния на ре­зи­сто­ре, по­ка­зан­ную на ри­сун­ке сплош­ной крас­ной ли­ни­ей (не про­ри­со­ва­ны го­ри­зон­таль­ные участ­ки с ну­ле­вым зна­че­ни­ем на­пря­же­ния).

Пе­ри­од ко­ле­ба­ний на­пря­же­ния на ре­зи­сто­ре в два раза мень­ше пе­ри­о­да ко­ле­ба­ний на­пря­же­ния на ис­точ­ни­ке пи­та­ния, то есть равен TR 1/2 f  =  0,01 с.

По­счи­та­ем дли­тель­ность вре­ме­ни, в те­че­нии ко­то­ро­го ток через ре­зи­стор от­сут­ству­ет. Мо­мен­ты вре­ме­ни, когда ток пре­кра­ща­ет­ся (или окан­чи­ва­ет­ся время его от­сут­ствия) опре­де­ля­ют­ся урав­не­ни­ем

U_0| синус левая круг­лая скоб­ка 2 Пи f t пра­вая круг­лая скоб­ка |=1,2В,  синус левая круг­лая скоб­ка 2 Пи f t пра­вая круг­лая скоб­ка =0,1.

Для са­мо­го пер­во­го мо­мен­та (обо­зна­чим его \Delta t) это урав­не­ние может быть с хо­ро­шей точ­но­стью ре­ше­но при­ближённо:

2 Пи f \Delta t=0.1,  \Delta t= дробь: чис­ли­тель: 0.1, зна­ме­на­тель: 2 Пи f конец дроби .

Доля вре­ме­ни, в те­че­ние ко­то­ро­го ток от­сут­ству­ет, опре­де­ля­ет­ся со­от­но­ше­ни­ем

 дробь: чис­ли­тель: 2 \Delta t, зна­ме­на­тель: T_R конец дроби = дробь: чис­ли­тель: 2 умно­жить на 0,1, зна­ме­на­тель: 2 Пи f конец дроби 2 f= дробь: чис­ли­тель: 0,2, зна­ме­на­тель: Пи конец дроби \approx 6 \%.

Если ключ K за­мкнут, то на кон­ден­са­то­ре воз­ник­нет не­ко­то­рый не­ну­ле­вой заряд. По­сколь­ку диоды про­пус­ка­ют ток толь­ко в одном на­прав­ле­нии, то этот заряд все­гда будет оста­вать­ся од­но­го знака. Ток через диоды не­огра­ни­чен, по­это­му на­пря­же­ние на кон­ден­са­то­ре UR не может быть мень­ше чем при­хо­дя­щее на­пря­же­ние от ис­точ­ни­ка через два диода,

U_R боль­ше или равно U_0| синус левая круг­лая скоб­ка 2 Пи f t пра­вая круг­лая скоб­ка | минус 1,2B.

От­сю­да за­клю­ча­ем, что мак­си­маль­ное зна­че­ние на­пря­же­ния на кон­ден­са­то­ре, ко­то­рое до­сти­га­ет­ся в те­че­ние каж­до­го пе­ри­о­да, равно UR,max  =  10,8.

После до­сти­же­ния мак­си­му­ма, на­пря­же­ние от ис­точ­ни­ка пи­та­ния на­чи­на­ет па­дать. В ре­зуль­та­те кон­ден­са­тор на­чи­на­ет раз­ря­жать­ся через ре­зи­стор. Если бы кон­ден­са­тор имел бес­ко­неч­ную ёмкость, то на­пря­же­ние на ре­зи­сто­ре оста­ва­лось бы все­гда рав­ным UR,max. Од­на­ко по­сколь­ку ёмкость кон­ден­са­то­ра ко­неч­на, то в не­ко­то­рый мо­мент пе­ри­о­да ко­ле­ба­ний ско­рость раз­ря­же­ния кон­ден­са­то­ра на­чи­на­ет от­ста­вать от тем­пов па­де­ния на­пря­же­ния от ис­точ­ни­ка. После этого мо­мен­та на­пря­же­ние на ре­зи­сто­ре опре­де­ля­ет­ся толь­ко за­ря­дом кон­ден­са­то­ра, а ток через ис­точ­ник ока­зы­ва­ет­ся рав­ным нулю.

Для того, чтобы по­нять сте­пень раз­ряд­ки кон­ден­са­то­ра в те­че­ние од­но­го пе­ри­о­да ко­ле­ба­ний, оце­ним время раз­ряд­ки R-C цепи:

\tau = RC = 2сек.

Это время зна­чи­тель­но пре­вы­ша­ет пе­ри­од ко­ле­ба­ний на­пря­же­ния \tau боль­ше боль­ше T_R. От­сю­да сле­ду­ет, что кон­ден­са­тор раз­ря­жа­ет­ся слабо, см. рис. С дру­гой сто­ро­ны, он раз­ря­жа­ет­ся почти весь пе­ри­од ко­ле­ба­ний, по­сколь­ку ско­рость его раз­ряд­ки почти все­гда мед­лен­нее, чем темп из­ме­не­ния на­пря­же­ния на ис­точ­ни­ке пи­та­ния. Таким об­ра­зом, заряд Q, про­шед­ший через ре­зи­стор за время раз­ряд­ки кон­ден­са­то­ра, и со­от­вет­ству­ю­щее ему па­де­ние на­пря­же­ния \Delta U на кон­ден­са­то­ре, равны

Q= дробь: чис­ли­тель: U_R, max, зна­ме­на­тель: R конец дроби T_R, \Delta U= дробь: чис­ли­тель: Q, зна­ме­на­тель: C конец дроби = дробь: чис­ли­тель: T_R, зна­ме­на­тель: R C конец дроби U_R, max \approx 0,05B.

Ответ: 1) U_0| синус левая круг­лая скоб­ка 2 Пи f t пра­вая круг­лая скоб­ка |=1,2В,  дробь: чис­ли­тель: 2 \Delta t, зна­ме­на­тель: T_R конец дроби = дробь: чис­ли­тель: 0,2, зна­ме­на­тель: Пи конец дроби \approx 6 \%; 2) UR,max  =  10,8 В.

Спрятать критерии
Критерии проверки:

Кри­те­рии по за­да­ниюБаллы
Опре­де­ле­но, что ток течёт толь­ко через пары про­ти­во­по­лож­но рас­по­ло­жен­ных ди­о­дов, если ам­пли­ту­да на­пря­же­ния боль­ше 1.2 В (най­де­но мак­си­маль­ное на­пря­же­ние) 4
Уста­нов­лен пе­ри­од ко­ле­ба­ний (не­сме­ня­е­мость знака на­пря­же­ния на ре­зи­сто­ре)4
Уста­нов­ле­на дли­тель­ность от­сут­ствия на­пря­же­ния на ре­зи­сто­ре 4
Най­де­но время раз­ряд­ки цепи ре­зи­стор-кон­ден­са­тор4
Оце­не­на ам­пли­ту­да флук­ту­а­ций на­пря­же­ния на кон­ден­са­то­ре 4
Классификатор: Элек­тро­ди­на­ми­ка. Элек­три­че­ские цепи с ди­о­да­ми