Нормальная работа всех активных элементов радиоэлектронной аппаратуры - транзисторов, тиристоров и микросхем -рассчитана на питание постоянным напряжением. Но такие источники тока, как батареи сухих элементов и аккумуляторы, недолговечны, расходуют запасенную ими электрическую энергию и поэтому нуждаются в периодической замене или подзаряде. Отсюда химические источники электрической энергии могут считаться приемлемыми исключительно для питания носимой аппаратуры или аппаратуры, эксплуатируемой в условиях отсутствия постоянных источников тока. Питание стационарной профессиональной и бытовой аппаратуры удобнее осуществлять от сети переменного тока, используя для этого преобразователь переменного напряжения в постоянное. Таким преобразователем и является выпрямитель.
Различные транзисторы, микросхемы и другие приборы рассчитаны на питание разными напряжениями, поэтому наличие в электросети именно переменного напряжения оказывается очень удобным, так как при помощи трансформатора на его вторичных обмотках из стандартного напряжения сети 220 В легко можно получить любые другие значения напряжений. Получить же различные напряжения при наличии сети постоянного тока оказалось бы значительно сложнее.
Простейшим выпрямительным устройством является од-нополупериодный выпрямитель, схема которого приведенная на рис. 35. Ее отличительной особенностью является то, что диод пропускает ток только в течение одной половины периода переменного напряжения, когда оно положительно
на верхнем по схеме выводе вторичной обмотки трансформатора. Поэтому схема и называется однополупериодной.
Если бы параллельно нагрузке R не был подключен конденсатор С, форма напряжения на нагрузке была бы такой, как показано штриховой линией, и напряжение вместо постоянного на нагрузке было бы пульсирующим. Конденсатор сглаживает пульсации выпрямленного напряжения. После включения при первом же положительном полупериоде конденсатор быстро заряжается. Ток заряда течет по вторичной обмотке трансформатора через открытый диод, конденсатор и обратно к вторичной обмотке. Сопротивление этой цепи мало и определяется сопротивлением обмотки и открытого диода. Поэтому заряд конденсатора происходит быстро. В точке А напряжение заряженного конденсатора почти равно напряжению на обмотке, а в дальнейшем оказывается больше его, из-за чего диод запирается и заряд конденсатора прекращается.
Теперь начинается разряд конденсатора на нагрузку R. Сопротивление нагрузки значительно больше, чем сопротивление цепи
заряда. Поэтому разряд конденсатора происходит медленно, до точки Б, когда напряжение на обмотке трансформатора вновь становится больше напряжения на конденсаторе, и вновь начинается его заряд. Результирующее напряжение на конденсаторе и нагрузке показано сплошной линией. Оно содержит постоянную составляющую (собственно выпрямленное напряжение) и переменную составляющую, которая называется напряжением пульсаций. Очевидно, что чем меньше сопротивление нагрузки (или чем больше потребляемый нагрузкой от выпрямителя ток), тем больше амплитуда пульсаций и меньше выпрямленное напряжение, так как в таком режиме точка Б будет располагаться ниже. Чем больше емкость конденсатора, тем медленнее он станет разряжаться и тем меньше будет амплитуда пульсаций и больше выпрямленное напряжение. Поэтому в схемах выпрямителей используют электролитические конденсаторы большой емкости.
Наибольшее выпрямленное напряжение определяется амплитудой переменного напряжения на вторичной обмотке трансформатора. По этой причине рабочее напряжение конденсатора должно быть не менее этого значения напряжения.
Выбор диода в этой схеме связан со следующими требованиями. Средний выпрямленный ток диода равен току нагрузки. Прямой импульсный ток диода равен отношению амплитуды напряжения на вторичной обмотке трансформатора к сопротивлению этой обмотки. Наконец, во время отрицательного полупериода к диоду прикладывается обратное напряжение, равное удвоенной амплитуде напряжения на вторичной обмотке.
Недостаток однополупериодной схемы выпрямления очевиден: из-за большого промежутка времени между моментами А и Б, который несколько превышает половину периода, конденсатор успевает заметно разрядиться, что приводит к повышенной амплитуде пульсаций выпрямленного напряжения. Дальнейшее сглаживание этих пульсаций затруднено тем, что частота пульсаций равна частоте сети питающего напряжения 50 Гц. В связи с этим выпрямители, собранные по однополупериодной схеме, используются лишь при больших сопротивлениях нагрузки, то есть при малом токе потребления,
когда постоянная времени разряда конденсатора велика и он не успевает заметно разряжаться за время отрицательных полупериодов напряжения.
Указанные недостатки выражены слабее в двухполупери-одной схеме выпрямления, которая показана на рис. 36. Здесь
используются два диода и вдвое увеличена вторичная обмотка трансформатора, оснащенная средней точкой. В течение одного полупериода конденсатор заряжается через один диод, а второй в это время заперт, в течение второго полупериода второй диод отпирается, а первый заперт. Форма напряжения на нагрузке при отсутствии конденсатора показана штриховой линией, а при наличии конденсатора - сплошной. Время, в течение которого конденсатор разряжается, уменьшено в этой схеме более чем вдвое. По этой причине выпрямленное напряжение получается больше, а амплитуда пульсаций значительно меньше, чем при использовании однополупериодного выпрямителя. Существенно также и то, что частота пульсаций вдвое превышает частоту питающей сети и составляет 100 Гц, что значительно облегчает последующее их сглаживание.
Несмотря на указанные преимущества, двухполупериодная схема выпрямления со средней точкой обладает и недостатками, к которым относятся услож-нениетрансформатора, а также
невозможность создания двух совершенно одинаковых половин вторичной обмотки. Это приводит к тому, что амплитуды напряжений на половинах вторичной обмотки оказываются разными. В связи с тем, что конденсатор заряжается попеременно от каждой из половин вторичной обмотки, в составе пульсаций выпрямленного напряжения появляется составляющая с частотой 50 Гц, хотя она и меньше, чем при однополу-периодном выпрямлении. Двухполупериодная схема выпрямителей широко использовалась в эпоху ламповой техники, когда применялись двуханодные кенотроны с общим катодом. Их оказывалось удобно применять в такой схеме, где катоды диодов соединены и для обоих диодрв можно использовать одну обмотку накала. У полупроводниковых диодов отсутствует подогреватель и с их внедрением двухполупериодная схема со средней точкой вторичной обмотки трансформатора, потеряв указанное преимущество, оказалась полностью вытесненной мостовой схемой выпрямления, которая в устаревшей литературе называется схемой Греца.
Мостовая схема выпрямителя показана на рис. 37. Вместо двух диодов она содержит четыре, но зато не нуждается в удвоении вторичной обмотки трансформатора. В течение одной половины периода переменного тока ток проходит от верхнего по схеме вывода вторичной обмотки через диод VD2, нагрузку, через диод VD3 к нижнему выводу вторичной обмотки. В течение следующей половины периода ток проходит от нижнего вывода обмотки через диод VD4, нагрузку, через диод VD1 к верхнему выводу вторичной обмотки трансформатора. Таким образом, в течение обоих полупериодов в нагрузке протекает ток одного и того же направления и диодами выпрямляется одно и то же переменное напряжение вторичной обмотки. Благодаря этому в составе пульсации составляющая с частотой 50 Гц отсутствует.
Мостовая схема выпрямления также является двухполупе-риодной. Форма напряжения на нагрузке в этой схеме оказывается такой же, как и в двухполупериодной схеме со средней точкой. Рабочее напряжение конденсатора также равняется амплитуде переменного напряжения на вторичной обмотке. Однако требования к диодам в обеих двухполупериодных схемах отличаются от требований в однополупериодной схеме.
Рис. 37. Мостовая схема выпрямления
В связи с тем, что ток нагрузки проходит через диоды поочередно, средний выпрямленный ток каждого диода равен половине тока нагрузки.
Обратные напряжения на диодах мостовой схемы равны не удвоенной, а одинарной амплитуде напряжения вторичной обмотки. Обратные напряжения на диодах двухполупериодной схемы со средней точкой и значения импульсных токов обеих схем такие же, как и в однополупериодной схеме. Однако ток вторичной обмотки трансформатора в мостовой схеме равен по своему эффективному значению току нагрузки, что вдвое больше, чем в однополупериодной схеме и в схеме со средней точкой. Поэтому сечение провода вторичной обмотки трансформатора в мостовой схеме должно быть в два раза больше, чем в двух других (диаметр провода - в 1,41 раз больше).
Удвоение количества диодов в мостовой схеме с лихвой окупается вдвое уменьшенным количеством витков вторичной обмотки трансформатора и уменьшением пульсаций выпрямленного напряжения. Для упрощения монтажа мостовых схем промышленностью выпускаются готовые сборки из четырех одинаковых диодов в одном корпусе, которые уже соединены между собой по схеме моста. К таким сборкам, например, относятся сборки типа КД906 со средним выпрямленным током до 400 мА и обратным напряжением до 75 В.
Недостатком мостовой схемы является прохождение выпрямленного тока последовательно через два диода. Падение напряжения на открытом кремниевом диоде достигает 1 В, а на двух последовательно включенных диодах падение напряжения при максимальном прямом токе составляет 2 В. Если выпрямитель рассчитан на низкое выпрямленное напряжение,
которое соизмеримо с падением напряжения на диодах, требуется увеличение напряжения на вторичной обмотке трансформатора. Это необходимо учитывать при расчете выпрямителя.
Если необходимо получить выпрямленное напряжение, которое превышает амплитудное значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора, можно использовать однополупериодную схему удвоения выпрямленного напряжения, приведенную на рис. 38. В течение первого полупериода, когда ток вторичной обмотки направлен по схеме сверху вниз, открыт диод VD1 и заряжается конденсатор С1,
Рис. 38. Схема однополупериодного удвоения напряжения
как в схеме однополупериодного выпрямителя. В течение второго полупериода ток вторичной обмотки протекает снизу вверх. Диод VD1 заперт, и отпирается диод VD2. Теперь конденсатор С2 заряжается суммарным напряжением вторичной обмотки трансформатора и напряжением заряженного конденсатора С1, которые соединены согласно. Благодаря этому на конденсаторе С2 образуется удвоенное напряжение. Рабочее напряжение конденсатора С1 равно амплитуде, а рабочее напряжение конденсатора С2 - удвоенной амплитуде напряжения вторичной обмотки трансформатора. Обратные напряжения обоих диодов равны удвоенной амплитуде напряжения вторичной обмотки. Частота пульсаций равна частоте сети - 50 Гц.
Удвоенное напряжение на конденсаторе С2 и низкая частота пульсаций являются недостатком данной схемы. Кроме того, во время заряда конденсатора С2 конденсатор С1 быстро разряжается током заряда конденсатора С2. Во избежание резкого увеличения пульсаций и уменьшения выпрямленного напряжения приходится выбирать емкость С1 значительно больше
емкости С2. Поэтому, если использование этой схемы не диктуется построением остальной схемы блока питания, лучше приме нять другую схему удвоения напряжения, показанную на рис. 39.
Здесь за один полупериод заряжается через диод один конденсатор, а в течение второго полупериода через второй диод заряжается второй конденсатор. Выходное выпрямленное напряжение снимается с обоих конденсаторов, включенных последовательно и согласно. Каждый конденсатор
заряжается по схеме однопо-лупериодного выпрямителя, но суммарное напряжение оказывается двухполупериодным, разряд конденсаторов происходит только через нагрузку, поэтому частота пульсаций вдвое больше частоты питающей сети, а форма выходного напряжения аналогична форме у двухполупериодного выпрямителя. Выходное напряжение почти равно удвоенной амплитуде напряжения вторичной обмотки. Рабочее напряжение обоих конденсаторов равно амплитуде этого напряжения. Обратное напряжение на каждом диоде равно удвоенной амплитуде. Таким образом, использование этой схемы выгоднее, чем схемы, показанной на рис. 38.
Интересно заметить, что при постоянном значении напряжения на вторичной обмотке трансформатора мостовая схема обеспечивает получение выпрямленного напряжения в два раза большего, а схема удвоения напряжения (см. рис. 39) -в четыре раза большего, чем двухполупериодная схема со средней точкой. Следует упомянуть, что в устаревшей литературе схема удвоения напряжения, приведенная на рис. 39, называется схемой Латура.
Рассмотрим еще две схемы выпрямителей с умножением напряжения. На рис. 40 приведена схема выпрямителя с учетве-рением напряжения, построенная по тому же принципу, что и схема, приведенная на рис. 38. В течение одного полупериода заряжаются конденсаторы С1 напряжением обмотки и СЗ суммой напряжения обмотки и заряженного конденсатора С2 минус напряжение на С1; при этом С2 разряжается.
Конденсатор С1 заряжается до амплитуды, а СЗ - до удвоенной амплитуды напряжения на обмотке. В течение следующего полупериода заряжаются С2 суммарным напряжением на обмотке и на С1, а также С4 суммой напряжений на обмотке, на С1 и на СЗ минус напряжение на С2; при этом С1 и СЗ разряжаются. Оба конденсатора С2 и С4 заряжаются до удвоенной амплитуды напряжения на обмотке. Результирующее напряжение снимается с соединенных последовательно и согласно конденсаторов С2 и С4. Частота пульсаций выпрямленного напряжения в этой схеме составляет, как и в схеме на рис. 38, 50 Гц.
Рис. 40. Схема однополупериодного умножения напряжения
На рис. 41 показана двухполупериодная схема учетверения напряжения, подобная схеме, приведенной на рис. 39. Принцип ее действия читатель может рассмотреть самостоятельно по аналогии с предыдущими схемами. Здесь частота пульсаций составляет 100 Гц, и два конденсатора С1 и СЗ работают при напряжении, равном одинарной амплитуде напряжения вторичной обмотки трансформатора вместо одного конденсатора С1 в схеме на рис. 40. При одинаковом количестве элементов эта схема выгоднее предыдущей.
Достоинством схемы, изображенной на рис. 40, является возможность умножения напряжения в нечетное число раз. Так, если удалить конденсатор С4 и подключенный к нему диод, а выпрямленное напряжение снимать с конденсаторов С1 и СЗ, получится утроенное напряжение. Схема же, показанная на рис. 41, позволяет получать только выпрямленное напряжение в четное число раз большее напряжения на вторичной обмотке трансформатора.
Рис. 41. Схема двухполупериодного умножения напряжения
Выпрямление с умножением напряжения не ограничивается его учетверением; подключая дополнительные цепочки, состоящие из диода и конденсатора, можно увеличивать коэффициент умножения. Часто требуется получить высокое выпрямленное напряжение, измеряемое киловольтами. Для достижения этой цели имеются два пути: либо намотать высоковольтную вторичную обмотку трансформатора и выпрямить полученное с нее высокое напряжение простым выпрямителем, либо использовать схему умножения. Второй способ целесообразнее. Высоковольтные обмотки трансформаторов имеют низкую надежность, так как необходимо тщательно изолировать их от других обмоток и от сердечника, а также хорошо изолировать слои этой обмотки один от другого. Кроме того, сама намотка высоковольтных обмоток весьма трудоемка: приходится наматывать тысячи витков очень тонким проводом, который при малейшем натяжении легко рвется. Наконец, выпрямитель требует применения высоковольтных конденсаторов и диодов с очень большим допустимым обратным напряжением. Выход находят путем последовательного соединения нескольких конденсаторов и нескольких диодов. Но тогда при том же количестве конденсаторов и диодов целесообразнее собрать выпрямитель с умножением напряжения, одновременно избавившись от необходимости намотки высоковольтной обмотки трансформатора.
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:
- Терапевтическая зона. ЧСС – 50-60% от максимальной. Используется для укрепления сердечно-сосудистой системы.
- . 60-70%. Борьба с лишним весом.
- Зона силовой выносливости. 70-80%. Повышение устойчивости к интенсивным физическим нагрузкам.
- 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.
- 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:
- 180*0,5 = 90
- 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:
- 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.
- Проба с приседаниями (Мартинэ-Кушелевского). Измеряют исходную частоту пульса. Выполняют 20 приседаний за 30 секунд. Оценка проводится по приросту пульса и скорости его восстановления.
- 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.
- . Похожа на пробу с приседаниями. Оценка проводится по индексу Руфье. Для этого пульс измеряют сидя до нагрузки, сразу после нее и через 1 минуту.
- 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
зона легкой активности
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
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
При расчётах источников электропитания любое радиоустройство или станцию связи представляют активным эквивалентом с сопротивлением
(1) где U 0 — постоянная составляющая напряжения, I 0 — ток нагрузки.
Реальная нагрузка обычно нелинейна, поэтому часто используют дифференциальное сопротивление нагрузки:
(2).Обычно R н ≠ R НД, поэтому расчёты вторичных источников электропитания справедливы только для номинального режима и это является источником погрешности в расчётах показателей выпрямительных устройств.
Коэффициент полезного действия
Основной характеристикой любого энергетического устройства является его КПД, который равен отношению активных мощностей на выходе (Рвых) и на входе (Р — мощность, потребляемая от первичной сети):
(3)
где P
вых = P
0 = U
0 ×I
0 — выходная мощность.
Если первичная сеть постоянного тока, то потребляемую мощность определяют P = U ВХ ×I ВХ. Если первичная сеть переменного тока, то мощность, потребляемая от сети при гармоническом токе равна:
S = U×I — полная мощность P = U×I ×cos φ — активная мощность Q = U×I× sin φ — реактивная мощность, где U, I — действующие значения напряжения и тока.Справедлив треугольник мощностей (рисунок 1):
Рисунок 1 — Треугольник мощностей
Если ток потребления несинусоидальный, то активная мощность потребляется только на той частоте, которая совпадает с частотой напряжения сети. Здесь в полной мощности появляется ещё одно слагаемое — мощность искажений (Т)
, (4)
но активная мощность потребляется только по первой гармонике P=U×I 1 ×cos φ 1 , где I 1 — действующее значение первой гармоники тока и угол сдвига этой гармоники — φ 1 .
Коэффициент мощности
Полная мощность (S) характеризует предельные возможности источника энергии. Под коэффициентом мощности понимается отношение
, (5)
где ν = I
1 /I
— коэффициент искажения тока;
I
1 — действующее значение первой гармоники;
I
— действующее значение всех гармоник несинусоидального тока.
При синусоидальной форме переменного тока полная мощность равна потребляемой мощности S = P только при резистивной нагрузке. Реальные потребители электроэнергии всегда имеют реактивную составляющую сопротивления и часто обладают нелинейным характером, поэтому коэффициент мощности χ≤1. В энергетике принимают специальные меры для его повышения. Международная электротехническая комиссия (МЭК) ещё в 1992г ввела в действие стандарт IEС–555–2, согласно которому любое устройство, потребляющее от сети мощность более 300 ватт, должно иметь коэффициент мощности равный единице. Это возможно только при наличии на входе активного корректора коэффициента мощности (ККМ). В 2001 принят новый стандарт IEC–1000–3–2, в котором уровень мощности снижен до 200 ватт, поскольку растёт число потребителей именно малой мощности. Поэтому любая электротехническая продукция, выходящая на международный рынок и подключаемая к сети переменного тока, должна иметь активный характер входного сопротивления.
Коэффициент пульсаций
Форма выходного напряжения ВУ в общем случае содержит постоянную (полезную) составляющую и переменную составляющую (пульсации). Она приведена на рисунке 2. Под коэффициентом пульсаций понимается отношение амплитуды первой гармоники пульсаций к постоянной составляющей U 0 , хотя его можно определить по любой гармонике, которая может оказаться больше первой.
Рисунок 2 — Выходное напряжение выпрямителя
Представив выпрямленное напряжение рядом Фурье — суммой постоянной составляющей U 0 и n гармоник с амплитудами U mn , находят коэффициент пульсаций напряжения:
, (6)Постоянная составляющая U 0 — является полезным продуктом выпрямителя, а пульсации U mn — вредной составляющей. При сложной форме пульсаций наибольшую величину может иметь не первая гармоника, а гармоника с более высоким номером, хотя обычно под k П понимается именно первая гармоника, которая используется во всех расчётах и приводится в технической документации на оборудование.
В современных выпрямителях, использующих импульсные методы преобразования, форма пульсаций существенно отличается от синусоидальной формы (см. рисунок 2б). Потребителя обычно не интересует, какая из гармоник на выходе выпрямителя имеет максимальный размах. Его интересует общий размах пульсаций или так называемый абсолютный коэффициент пульсаций (k абс), который может рассчитываться по разным формулам, например:
, (7)
, (8)
Например, если постоянное напряжение U 0 = 10 В, а напряжение пульсаций U m1 = 1В, то:
Видно, что абсолютный коэффициент пульсаций вдвое больше по величине и объективно отражает пульсации на нагрузке, хотя во всех нормативных документах указываются именно пульсации по первой гармонике. Поэтому к коэффициенту пульсаций надо относиться очень внимательно.
Для оценки помех, проникающих в телефонные каналы связи по цепям питания необходимо учитывать не только амплитуду, но и частоту помехи. Это связано с неравномерной чувствительностью человеческого уха в звуковом диапазоне. Поэтому вводится понятие псофометрического коэффициента a к, зависимость которого от частоты приведена на рисунке 3.
Рисунок 3 – Псофометрический коэффициент
На частоте f = 800 Гц a к = 1. Относительное влияние гармоник с другими частотами характеризуется величиной псофометрического коэффициента. Эффективное значение псофометрического напряжения пульсаций U псф на выходе выпрямителя определяется выражением:
где a к — коэффициент соответствующей гармоники, U км — амплитуды соответствующих гармоник выпрямленного напряжения.Внешняя характеристика
Внешняя характеристика вторичного источника питания — это зависимость напряжения на нагрузке от тока нагрузки: U 0 = f(I 0). Вторичный источник питания обычно представляется генератором постоянного напряжения U 0xx (холостого хода) с внутренним сопротивлением R вых. Эта схема приведена на рисунке 4.
Рисунок 4 – Эквивалентная схема вторичного источника питания
По этой схеме можно определить напряжение на зажимах источника питания: U 0 = U 0xx − I 0 R вых. Типовая внешняя характеристика источника питания приведена на рисунке 5 и обычно имеет падающий характер.
Рисунок 5 – Типовая внешняя характеристика источника питания
Падение напряжения определяется выходным сопротивлением источника питания, поэтому по внешней характеристике можно определить его выходное сопротивление:
, (13)
это сопротивление обычно нелинейное, поэтому его находят при заданном рабочем токе. У стабилизированного источника питания выходное сопротивление может быть достаточно мало, и тогда внешняя характеристика принимает вид, показанный на рисунке 6.
Рисунок 6 – Внешняя характеристика стабилизированного источника питания
Выходное сопротивление источника питания существенно влияет на работу РЭА. Если от одного источника питается несколько блоков (широко распространенная практика), то зависимость выходного напряжения от тока источника при R вых ≠0 приводит к электрической связи между несколькими нагрузками. Эта ситуация иллюстрируется эквивалентной схемой, приведенной на рисунке 7.
, (14)
где ω н — частота изменения тока нагрузки.
При импульсных токах нагрузки это условие надо выполнить для широкого спектра частот, но идеальных конденсаторов не существует. Реальный конденсатор можно представить эквивалентной схемой замещения, показанной на рисунке 8.
Рисунок 8 — Эквивалентная схема реального конденсатора (а) и зависимость его полного сопротивления от частоты (б)
Здесь R с — сопротивление потерь, зависящее от тангенса угла потерь используемого диэлектрика, L — индуктивность выводов и инерционность диэлектрика. Зависимость полного сопротивления Z от частоты носит резонансный характер. Частота резонанса зависит от типа, конструкции конденсатора и меняется в широких пределах от 2 ГГц для керамических smd конденсаторов до десятков килогерц для электролитических конденсаторов. Например, для конденсатора К50-33 с напряжением 63 В и ёмкостью С = 4700мкФ, модуль полного сопротивления лежит в пределах Z = 0,03 ... 0,1 Ом в диапазоне частот 10кГц... 1МГц.. При этом значение сопротивления идеального конденсатора равно:
(15)То есть, реальное сопротивление конденсатора на частоте 10 кГц на порядок превышает теоретическое значение сопротивления Х с. Поэтому в схемах устройств, чувствительных к помехам параллельно электролитическому конденсатору ставят плёночный или керамический конденсатор малой ёмкости, который обладает большей полосой рабочих частот.
Масса и объём
Энергетические устройства одинакового назначения сравнивают между собой по удельным массо-объёмным показателям с размерностью: Вт/дм³ и Вт/кг (иногда кг/Вт). Габариты любого электротехнического устройства определяются либо требуемой поверхностью теплопровода (VT), либо конструктивным объёмом, необходимым для размещения деталей V к. Применение интегральной и гибридно-плёночной технологии изготовления диодов, транзисторов, резисторов, дросселей и других деталей, повышает их коэффициент загрузки, т.е. увеличивается плотность тока j (А/мм²) и частота преобразования, что приводит к уменьшению массы и объёма конструкции V к. С другой стороны повышение коэффициента загрузки приводит к увеличению потерь, следовательно, возрастает и требуемый «тепловой» объём (V т). Это положение иллюстрируется графиком, приведенным на рис.7, где по оси абсцисс отложен интегральный параметр — частота f, плотность тока j, индукция В.
Рисунок 9 — Зависимость объёма вторичного источника питания от частоты, плотности тока и индукции
Можно предположить, что увеличивая частоту, можно снизить объём конструкции, однако при этом возрастает минимальный тепловой объём (мощный транзистор ставится на радиатор!). Поэтому нет смысла уходить за точку оптимума. Попадание в эту точку на этапе проектирования системы может быть только случайным, поскольку задача многопараметрическая. Любое отклонение от неё в ту или другую сторону является основанием для оптимизации режимов работы с целью повышения удельной мощности и КПД вторичного источника.
Современные выпрямители (ВБВ — импульсные) работают в районе точки оптимума и характеризуются удельной мощностью 400 ... 600 Вт/дм³ при частоте преобразования 50 ... 100 кГц. Классические выпрямители, работающие на промышленной частоте 50 Гц, имеют удельную мощность 7 ... 10 Вт/дм³ .
Литература:
- А. Ю. Воробьев Электроснабжение компьютерных и телекоммуникационных систем. — М.: Эко-Трендс, 2002. — 280 с.
Вместе со статьей "Вторичные источники питания" читают:
Расчёт фильтров для ШИМ
В статье речь пойдёт про расчёт простейших фильтрующих цепей для сглаживания широтно-импульсной модуляции. Что такое ШИМ, где он применяется и как его реализовать читайте в отдельной статье.
Первое, на чём следует заострить внимание - это назначение цепи, для которой вы собрались строить фильтр. Немного упрощая схемы с ШИМ можно поделить на два типа:
Примером сигнального ШИМ служит, например, простейший ЦАП, под силовым ШИМ чаще всего имеется ввиду ШИМ-сигнал на выходе силовых ключей, например в импульсных источниках питания (ИИП). Строго говоря, в источниках питания сам сигнал ШИМ тоже используется в сигнальной цепи (управление транзисторами) и на выходе таких источников сигнал повторяет форму управляющих сигналов, однако имеет более высокую мощность, потому они требуют фильтров позволяющих пропускать большие мощности.
Фильтрация ШИМ в сигнальных цепях
Для простых сигнальных цепей с высокоомной нагрузкой наиболее оптимальной схемой фильтрации является интегрируюшая RC-цепочка, являющаяся по сути простейшим фильтром нижних частот. Понятие "интегрирующая RC-цепь" применяется при рассмотрении импульсных характеристик данной цепи.Рис.1. Простейший фильтр нижних частот - интегрирующая RC-цепь и её АЧХ.
Основная характеристика фильтра это частота среза (на рисунке 1 обозначена угловая частота среза - ω с ) - амплитуда колебаний данной данной частоты на выходе фильтра ослабляется до уровня ~0.707 (-3 Дб) от входного значения. Частота среза определяется по следующей формуле:
Тут R и С - сопротивление резистора в омах и ёмкость конденсатора в фарадах. Необходимо помнить, что для корректной работы сглаживающего фильтра постоянная времени RC-цепочки (τ = R · C ) должна быть как можно меньше периода ШИМа, тогда за один период не будет происходить полный заряд-разряд конденсатора.
Следующий важный параметр, позволяющий расчитать ослабление колебаний на заданной частоте это коэффициент передачи фильтра - это отношение K = U вых /U вх. Для данной RC-цепочки коэффициент передачи рассчитывается следующим образом:
Зная эти формулы и учтя постоянное падение напряжения на резисторе можно приближённо рассчитать фильтр с нужными характеристиками - например, задавшись имеющейся ёмкостью, либо необходимым уровнем пульсаций.
