Вольт-амперные характеристики электрических ламп
Свойства электрической лампы как элемента электрической цепи, достаточно полно могут быть представлены ее вольт-амперной характеристикой, т. е. зависимостью падения напряжения на ней от величины протекающего тока.
Вольт-амперная характеристика газоразрядных ламп
В основе действия газоразрядных источников излучения лежит электрический разряд в атмосфере инертного газа (чаще всего аргон) и паров ртути. Излучение происходит за счет перехода электронов атомов ртути с орбиты с высоким содержанием энергии на орбиту с меньшей энергией. Из всего разнообразия электрических разрядов (тихий, тлеющий и т. д.) для искусственных источников характерен дуговой разряд, отличающийся высокими плотностями токов в канале разряда. Особенности дугового разряда как элемента электрической цепи определяют и особенности схем включения газоразрядных источников.
Вольт-амперная характеристика дугового разряда изображена на рис. 1 (кривая 1). Здесь же приведена вольт-амперная характеристика постоянного сопротивления (кривая 2). Для постоянного сопротивления отношение одинаково в любой точке характеристики. Оно определяет при малых приращениях на величину и знак динамического сопротивления и линейность характеристики.
Для характеристики дугового разряда это отношение, во-первых, численно непостоянно для разных точек, и во-вторых, отрицательно по знаку. Первая особенность определяет нелинейность характеристики, а вторая — так называемый «падающий» характер кривой. Таким образом, дуговой разряд имеет нелинейную падающую вольт-амперную характеристику.
Если подсчитать статическое сопротивление дуги в нескольких точках кривой ( R=U/I) , то можно увидеть, что с увеличением тока сопротивление дуги уменьшается.
Рис. 1. Вольт-амперные характеристики дугового разряда (1), постоянного сопротивления (2) и лампы накаливания (3)
При непосредственном включении дугового разряда в сеть с постоянным по величине напряжением разряд неустойчив и сопровождается бесконечным увеличением тока. Следовательно, в этом случае нужно принимать меры к стабилизации разряда. Стабилизация может быть обеспечена либо использованием источника напряжения с падающей внешней характеристикой (такая характеристика, например, специально создается у сварочного генератора для стабилизации сварочной дуги), либо дополнительным баластным сопротивлением, включенным последовательно с газоразрядным промежутком. Для газоразрядных источников излучения используется второй способ стабилизации разряда.
Рассмотрим случай включения газового промежутка последовательно с активным сопротивлением. На рис. 2 приведена вольт-амперная характеристика (кривая 1) газоразрядного промежутка и разность между напряжением сети и падением напряжения на балластном сопротивлении в функции тока (прямая 2).
Рис. 2. Схема включения газоразрядного промежутка последовательно с баластным сопротивлением (а) и вольт-амперные характеристики элементов (б)
Всякие стационарные режимы протекания тока в такой схеме должны удовлетворять закону Кирхгофа Uc=U б+ U л. Это условие выполняется в точках пересечения прямой 2 (Uс-Uб=f( I ) ) с вольт-амперной характеристикой I газоразрядного промежутка. Однако при падающих характеристиках пересечение возможно в нескольких точках, не каждая из которых будет соответствовать устойчивому режиму. Устойчивый режим будет в тех точках, для которых с увеличением тока сумма падений напряжений на лампе и балластном сопротивлении превысит напряжение источника, т.е. U б+ U л б+ U л
Это неравенство является критерием устойчивости. Критерию устойчивости на рис. 2 удовлетворяет точка В. В режимах левее точки В появляется положительный избыток напряжения Δ U, приводящий к увеличению тока, а в режиме правее точки В появляется отрицательный избыток напряжения Δ U, приводящий к уменьшению тока. Следовательно, режим в точке В является устойчивым, или стабилизированным.
Необходимо отметить, что ни напряжение, ни ток не стабилизируются включением балластного сопротивления, а стабилизируется только режим горения дуги. В самом деле, при увеличении напряжения сети до Uc1 режим горения остается устойчивым и переходит в точку B1 для которой ток и напряжение отличаются от соответствующих значений в точке В. Так же отличаются ток и напряжение дуги в устойчивой точке B2 при уменьшенном напряжении Uc2.
Эти рассуждения позволяют сделать вывод о том, что стабилизацией напряжения на газоразрядной лампе нельзя обеспечить стабильность разряда. Полученные выше выводы и соотношения для постоянного напряжения полностью применимы для цепей переменного напряжения. Для стабилизации разряда на переменном токе используют индуктивные и емкостные балласты, так как потери на них м еньше, чем на активном.
Вольт-амперная характеристика ламп накаливания
Вольт-амперная характеристика у ламп накаливания нелинейна и имеет восходящий характер. Нелинейность обусловлена зависимостью сопротивления нити накала от температуры, а следовательно, и от тока: чем больше ток, тем больше сопротивление нити. Восходящий характер кривой объясняется положительной величиной динамического сопротивления: в любой точке кривой положительному приращению тока соответствует положительное приращение падения напряжения. Автоматически создается устойчивый режим, т. е. ток при постоянном напряжении не может измениться из-за внутренних причин. Это позволяет включать лампу накаливания прямо на напряжение.
Присоединяйтесь к нашему каналу в Telegram «Современное освещение» и погружайтесь в мир инновационных технологий и стильного дизайна света! Подписывайтесь, чтобы быть в курсе последних трендов: Современное освещение в Telegram
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Линейные и нелинейные элементы электрической цепи
Те элементы электрической цепи, для которых зависимость тока от напряжения I(U) или напряжения от тока U(I), а также сопротивление R, постоянны, называются линейными элементами электрической цепи. Соответственно и цепь, состоящая из таких элементов, именуется линейной электрической цепью.
Для линейных элементов характерна линейная симметричная вольт-амперная характеристика (ВАХ), выглядящая как прямая линия, проходящая через начало координат под определенным углом к координатным осям. Это свидетельствует о том, что для линейных элементов и для линейных электрических цепей закон Ома строго выполняется.
Кроме того речь может идти не только об элементах, обладающих чисто активными сопротивлениями R, но и о линейных индуктивностях L и емкостях C, где постоянными будут зависимость магнитного потока от тока — Ф(I) и зависимость заряда конденсатора от напряжения между его обкладками — q(U).
Яркий пример линейного элемента — проволочный резистор. Ток через такой резистор в определенном диапазоне рабочих напряжений линейно зависит от величины сопротивления и от приложенного к резистору напряжения.
Характеристика проводника (вольтамперная характеристика) — зависимость между напряжением, подводимым к проводнику, и силой тока в нем (обычно выраженная в виде графика).
Для металлического проводника, например, сила тока в нем пропорциональна приложенному напряжению, и поэтому характеристика представляет собой прямую линию. Чем круче идет прямая, тем меньше сопротивление проводника. Однако некоторые проводники, в которых ток не пропорционален приложенному напряжению (например, газоразрядные лампы), имеют более сложную, не прямолинейную вольтамперную характеристику.
Если же для элемента электрической цепи зависимость тока от напряжения или напряжения от тока, а также сопротивление R, непостоянны, то есть изменяются в зависимости от тока или от приложенного напряжения, то такие элементы называются нелинейными, и соответственно электрическая цепь, содержащая минимум один нелинейный элемент, окажется нелинейной электрической цепью.
Вольт-амперная характеристика нелинейного элемента уже не является прямой линией на графике, она непрямолинейна и часто несимметрична, как например у полупроводникового диода. Для нелинейных элементов электрической цепи закон Ома не выполняется.
В данном контексте речь может идти не только о лампе накаливания или о полупроводниковом приборе, но и о нелинейных индуктивностях и емкостях, у которых магнитный поток Ф и заряд q нелинейно связаны с током катушки или с напряжением между обкладками конденсатора. Поэтому для них вебер-амперные характеристики и кулон-вольтные характеристики будут нелинейными, они задаются таблицами, графиками или аналитическими функциями.
Пример нелинейного элемента — лампа накаливания. С ростом тока через нить накаливания лампы, ее температура увеличивается и сопротивление возрастает, а значит оно непостоянно, и следовательно данный элемент электрической цепи нелинеен.
Для нелинейных элементов свойственно определенное статическое сопротивление в каждой точке их ВАХ, то есть каждому отношению напряжения к току, в каждой точке на графике, — ставится в соответствие определенное значение сопротивления. Оно может быть посчитано как тангенс угла альфа наклона графика к горизонтальной оси I, как если бы эта точка лежала на линейном графике.
Еще у нелинейных элементов есть так называемое дифференциальное сопротивление, которое выражается как отношение бесконечно малого приращения напряжения — к соответствующему изменению тока. Данное сопротивление можно посчитать как тангенс угла между касательной к ВАХ в данной точке и горизонтальной осью.
Такой подход делает возможным простейший анализ и расчет простых нелинейных цепей.
На рисунке выше показана ВАХ типичного диода. Она располагается в первом и в третьем квадрантах координатной плоскости, это говорит нам о том, что при положительном или отрицательном приложенном к p-n-переходу диода напряжении (в том или ином направлении) будет иметь место прямое либо обратное смещение p-n-перехода диода. С ростом напряжения на диоде в любом из направлений ток сначала слабо увеличивается, а после резко возрастает. По этой причине диод относится к неуправляемым нелинейным двухполюсникам.
На этом рисунке показано семейство типичных ВАХ фотодиода в разных условиях освещенности. Основной режимом работы фотодиода — режим обратного смещения, когда при постоянном световом потоке Ф ток практически неизменен в довольно широком диапазоне рабочих напряжений. В данных условиях модуляция освещающего фотодиод светового потока, приведет к одновременной модуляции тока через фотодиод. Таким образом, фотодиод — это управляемый нелинейный двухполюсник.
Это ВАХ тиристора, здесь видна ее явная зависимость от величины тока управляющего электрода. В первом квадранте — рабочий участок тиристора. В третьем квадранте начало ВАХ — малый ток и большое приложенное напряжение (в запертом состоянии сопротивление тиристора очень велико). В первом квадранте ток велик, падение напряжения мало — тиристор в данный момент открыт.
Момент перехода из закрытого — в открытое состояние наступает тогда, когда на управляющий электрод подан определенный ток. Переключение из открытого состояния — в закрытое происходит при снижении тока через тиристор. Таким образом, тиристор — это управляемый нелинейный трехполюсник (как и транзистор, у которого ток коллектора зависит от тока базы).
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Лабораторная работа: «Вольтамперная характеристика лампы накаливания, резистора и полупроводникового диода»
Цель работы: исследовать вольтамперные характеристики лампы накаливания, резистора и полупроводникового диода.
Оборудование : персональный компьютер, методические указания, рабочая тетрадь, электронное пособие « Electron » — https://cloud.mail.ru/public/KsSt/3rPNmQ3Zh .
Методические указания:
1. Краткое теоретическое описание
Вольтамперной характеристикой (ВАХ) элемента называется зависимость силы тока через элемент от напряжения между его концами.
Резистор является линейным элементом, потому что при постоянной температуре его вольтамперная характеристика – прямая линия (Рисунок 1), угол наклона которой зависит от сопротивления резистора.
Рисунок 1 – ВАХ резистора
У нелинейных элементов сопротивление не является постоянной величиной. Вольтамперная характеристика таких элементов — нелинейная.
Примерами нелинейных элементов являются лампы накаливания, полупроводники и др.
ВАХ является основной характеристикой нелинейного элемента, необходимой для описания его работы в электрических цепях.
Измерения ВАХ можно проводить как на постоянном токе, так и на переменном, т.е. в динамическом режиме.
Рассмотрим ВАХ некоторых нелинейных элементов. Как известно, основным элементом лампы накаливания является вольфрамовая нить.
При пропускании через неё тока она нагревается до высоких температур и излучает свет. При этом с повышением температуры сопротивление нити возрастает.
Поэтому ВАХ лампы накаливания оказывается нелинейной (Рисунок 2).
Рисунок 2 – ВАХ лампы накаливания
Другим примером нелинейного элемента является полупроводниковый диод, который обладает различной проводимостью в зависимости от полярности приложенного к нему напряжения.
Типичная ВАХ полупроводникового элемента с одним p-n переходом представлена на Рисунке 3.
Рисунок 3 – ВАХ полупроводникового диода
Полупроводниковые выпрямительные диоды работают на прямой и обратной ветвях ВАХ до пробоя: пропускают ток только в одном направлении. Пробой может вызывать необратимые разрушения.
Светодиоды (диоды, излучающие свет) работают на прямой ветви ВАХ. Напряжение пробоя у них небольшое (единицы вольт). При кратковременном включении светодиода в обратном направлении и небольшом напряжении его свойства после пробоя могут восстановиться, но могут привести и к необратимым разрушениям. Поэтому необходимо соблюдать полярность подключения светодиода.
При работе с переменным током во избежание пробоя светодиода параллельно ему подключают другой диод с противоположным направлением пропускания тока, чтобы ограничить обратное напряжения на светодиоде.
На Рисунке 4 представлены вольтамперные характеристики светодиодов, изготовленных из разных полупроводниковых материалов.
Видно, что при прямом включении ток в светодиодах начинает течь (светодиод «открывается» – начинает светиться) при больших напряжениях, чем в кремниевых диодах.
Рисунок 4 – ВАХ кремниевого диода и светодиодов различного цвета
Различие прямых ветвей вольтамперных характеристик для разных полупроводниковых материалов связано с различной шириной запрещенной зоны. Чем меньше длина волны излучаемого света, тем больше прямое падение напряжения на диоде и потери электрической энергии в нем. Обратные ветви вольт-амперных характеристик соответствуют относительно малым пробивным напряжениям, что объясняется малой толщиной p–n переходов. Светодиоды работают только при прямом включении.
2. Порядок выполнения работы
Эксперимент 1:
1. Собрать цепь по схеме, изображенной на Рисунке 5.
Рисунок 5 – Экспериментальная схема с резистором
2. Включить источник питания. Замкнуть выключатель (ключ).
3. Увеличивать напряжение источника питания ( ε , B ) с 0 В до 10В каждый раз на 2 В, измерить при этом силу тока и напряжение на резисторе.
4. Записать результаты в Таблицу 1.
5. Вычислить отношение измеренного на резисторе напряжения к измеренному значению силы тока и полученные значения сопротивления записать в Таблицу1.
Таблица 1 – Результаты измерений и вычислений для снятия ВАХ резистора
Почему вольт амперная характеристика лампы не является прямой линией.
жизнь так устроена, что приходится прогибаться даже если ты сделан из вольфрама
при увеличении напряжения спираль нагревается, у металлического проводника при этом увеличивается удельное сопротивление, поэтому ток растет не так быстро
Похожие вопросы
Ваш браузер устарел
Мы постоянно добавляем новый функционал в основной интерфейс проекта. К сожалению, старые браузеры не в состоянии качественно работать с современными программными продуктами. Для корректной работы используйте последние версии браузеров Chrome, Mozilla Firefox, Opera, Microsoft Edge или установите браузер Atom.