Что такое вентиль в электронике

14

Электрический ток в цепях с вентилями

Вентили – это устройства в электротехнике, у которых сопротивление зависит от направления протекающего через них электрического тока.

Вентиль может быть представлен в виде ключа, замыкаемого при одной полярности приложенного к нему напряжения и размыкаемого при другой. У идеального вентиля проводимость при одном направлении тока равна нулю, а другого бесконечна. На практике у приборов, которые используются в качестве вентилей, сопротивление может быть не только конечным, но и зависеть от величины напряжения на них и протекающего через них тока.

Вентили делятся на:

1. Управляемые, которые отличаются тем, что процессом их открытия и закрытия управляет напряжение, приложенное к их входам и выходам, и сигнал, который подается на дополнительный управляющий вход. Примером управляемого вентиля является тиристор.
2. Неуправляемые. Примером неуправляемого вентиля является выпрямительный диод.

По принципу действия вентили делятся на:

1. Электронные, которые подразделяются на полупроводниковые и вакуумные.
2. Ионные, которые подразделяются на электролитические, газотроны, игнитроны.

Газотрон – это ионный двухэлектродный (газоразрядный) прибор, предназначенный для выпрямления электрического тока, в котором применяется самостоятельный тлеющий или несамостоятельный дуговой разряд.

Электрический ток в цепях с вентилями. Расчет электрической цепи с вентилем

Вентили являются нелинейными элементами, обладающими небольшим активным сопротивлением в прямом направлении и малой активной проводимостью в обратном направлении. Такая особенностей вентилей обуславливает широкое применение их в качестве выпрямительных устройств. Полупроводниковые вентили в основном используются с целью преобразования электроэнергии в устройствах небольшой мощности, например, в радиоприемных устройствах. Ионные вентили применяются в мощных энергетических установках, электрических приводах, линиях электропередач постоянного электрического тока и т.п.

Вентиль является идеальным, если его сопротивление в одном направлении равно нулю, а в другом бесконечно большое. Пример вольт-амперной характеристики такого вентиля представлена на рисунке ниже.

Рисунок 1. Вольт-амперная характеристика. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Если сопротивлением вентиля в прямом направлении пренебречь невозможно, но можно пренебречь обратным током, то схема замещения и вольт-амперная характеристика будут иметь следующий вид.

Рисунок 2. Вольт-амперная характеристика. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рассмотрим характеристику реального вентиля, представленную на рисунке ниже.

Рисунок 3. Характеристика реального вентиля. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Данная характеристика указывает, что сопротивление реального вентиля в прямом направлении мало, а в обратном велико, но при этом в обоих случаях оно является конечной величиной. Если включить данный вентиль последовательно с сопротивлением, то получится схема однополупериодного выпрямителя, схема и характеристика которого представлена на рисунке ниже.

Рисунок 4. Схема и характеристика однополупериодного выпрямителя. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Допустим, что к цепи приложено синусоидальное напряжение, а обратным током можно пренебречь, то получится, что ток в первую половину периода будет изменяться по синусоидальному закону:

$i = u / (R+Rв) = (Umsinwt) / (R+Rв) = Imsinwt$

В течении второй половины периода, когда напряжение меньше 0, тока в цепи нет, потому что сопротивление отсутствует.

Таким образом, в электрической цепи проходит только одна полуволна синусоидального тока. Недостаток однополупериодного выпрямителя заключается в значительной пульсации электрического тока — большая переменная составляющая тока или гармоника, а также незначительная величина среднего значения тока. Таким образом в цепи на сопротивлении создается несинусоидальное напряжение и несинусоидальный ток. Чтобы снизить пульсацию тока используется низкочастотный фильтр. Еще один способ заключается в использовании мостовой схемы (которая представлена на рисунке ниже) из четырех вентилей, он называется двухполупериодное выпрямление электрического тока.

Рисунок 5. Мостовая схема. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

В данном случае к мосту подведено синусоидальное напряжение. В положительный полупериод напряжения электрический ток проходит через вентиль 1, а сопротивление R и вентиль 2 в отрицательный полупериод напряжения ток проходит через вентиль 3, сопротивление R и вентиль 4. Получается, что ток через сопротивление R изменяется по величине, но при этом не изменяется по направлению, то есть пульсирующий ток, который состоит из постоянной составляющей и четных гармоник.

Рассмотрим электрическую цепь с двумя вентилями, представленную на рисунке ниже.

Рисунок 6. Цепь. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рисунок 7. Характеристика. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Допустим, что необходимо определить вольт-амперную характеристику, эквивалентной цепи с вентилем на рисунке ниже.

Рисунок 8. Эквивалентная цепь. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Чтобы построить вольт-амперную характеристику вентиля необходимо произвольно взять значения токов и рассчитать для них значение u1 первого элемента и U2 второго вентиля. Затем, используя второй закон Кирхгофа, определяется напряжение результирующего элемента для данных значений тока. В результате этого получаются координаты различных точек характеристики.

Вентиль (электротехника)

• Вентиль в электротехнике — это общее название для устройств, сопротивление которых зависит от направления протекающего через них тока (или полярности приложенного к нему напряжения). Можно представить вентиль, как ключ, который замыкается при одной полярности приложенного к нему напряжения и размыкается при другой. У идеального вентиля проводимость при одном направлении тока бесконечна, в другом направлении — равна нулю. В реальности сопротивление приборов, используемых в качестве вентилей, может быть не только конечным, но и может зависеть от величины напряжения на них и проходящего через них тока.

Вентили могут быть управляемыми и неуправляемыми. Управляемый вентиль отличается тем, что открытием/закрытием его управляет не только приложенное к основным выходам напряжение, но и сигнал, подаваемый на дополнительный управляющий вход. Примером неуправляемого вентиля является выпрямительный диод, а управляемого — тиристор.

Связанные понятия

Конденсаторные двигатели — разновидность асинхронных двигателей, в обмотки которого включены конденсаторы для создания сдвига фазы тока. Подключаются в однофазную сеть посредством специальных схем. По количеству фаз статора делятся на двухфазные и трёхфазные.

Вентиль (электротехника)

Вентиль в электротехнике — это общее название для устройств, сопротивление которых зависит от направления протекающего через них тока (или полярности приложенного к нему напряжения) [1] . Можно представить вентиль, как ключ, который замыкается при одной полярности приложенного к нему напряжения, и размыкается при другой. У идеального вентиля проводимость при одном направлении тока бесконечна, в другом направлении — равна нулю. В реальности сопротивление приборов, используемых в качестве вентилей, может быть не только конечным, но и может зависеть от величины напряжения на них и проходящего через них тока.

Вентили могут быть управляемыми и неуправляемыми. Управляемый вентиль отличается тем, что открытием/закрытием его управляет не только приложенное к основным выходам напряжение, но и сигнал, подаваемый на дополнительный управляющий вход. Примером неуправляемого вентиля является выпрямительный диод, а управляемого — Тиристор.

По принципу действия вентили можно разделить на электронные и ионные (газотроны, игнитроны, электролитические). Электронные в свою очередь бывают вакуумными и полупроводниковыми.

Примечания

1. ↑В.В. Китаев и др Электропитание устройств связи. — М. : Связь, 1975. — 328 с. — 24 000 экз.

• Источники питания
• Электротехника
• Электроника
• Электронные компоненты

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое «Вентиль (электротехника)» в других словарях:

вентиль для отбора проб масла — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN oil sampling valve … Справочник технического переводчика

вентиль с диэлектрическим заполнением — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN dielectric loaded isolator … Справочник технического переводчика

газонаполненный вентиль — ионный вентиль — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия Синонимы ионный вентиль EN gas filled rectifier … Справочник технического переводчика

автоматический газовыпускной вентиль — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва] Тематики электротехника, основные понятия EN automatic pressure vent … Справочник технического переводчика

воздушный вентиль с соленоидным управлением — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN solenoid operated air valveSOAV … Справочник технического переводчика

двунаправленный вентиль — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN bidirectional valve … Справочник технического переводчика

одноанодный ртутный вентиль — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999] Тематики электротехника, основные понятия EN single gap mercury arc valve … Справочник технического переводчика

однонаправленный вентиль — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999] Тематики электротехника, основные понятия EN unidirectional valve … Справочник технического переводчика

поляризованный вентиль — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN wave rotation isolator … Справочник технического переводчика

регулирующий вентиль — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN regulation valveRV … Справочник технического переводчика

Вентили СВЧ. Виды и устройство. Работа и особенности

Для односторонней передачи высокочастотных сигналов с небольшими потерями в электротехнике и электронике используются специальные приборы под называнием «вентили СВЧ». Они характеризуются относительно высоким обратным затуханием (порядка 30дБ) при потерях, не превышающих 0,5-0,6 дБ.

По какому принципу работают вентили СВЧ

В основу работы этих устройств заложены следующие предпосылки, касающиеся явления ферромагнитного резонанса:

• Вентили СВЧ работают за счет наличия в волноводе поверхностной ферритовой волны (ПФВ), описанной в специальной технической литературе.
• Они располагаются таким образом, чтобы обеспечить преобладание обратного затухания амплитуды сигнала по отношению к прямому.
• Несимметричное распределение энергетических потерь объясняется особенностями конструкции магнитного вентиля.
• В его зауженной части через определенные промежутки устанавливаются специальные ферритовые вкладыши, намагниченные поперечно во встречных направлениях.

Подобное распределение элементов конструкции создает СВЧ поле, позволяющее располагать вдоль волноводной оси тонкую металлическую пластинку, не вызывающую каких-либо возмущений.

Несмотря на свою незаметность, этот элемент приводит к отражению обратной объемной волны, увеличивая потери до максимума.

Проблемы построения вентилей СВЧ с ферритовыми вставками и способы их устранения

Ферритовые элементы в устройствах развязки выполняются в виде цилиндров или прямоугольных брусков, что приводит к неоднородности магнитного поля в волноводе. В следствие этого – возбуждение в нем волн магнитостатического типа (МСВ), увеличивающих прямые потери полезного сигнала. Помимо внесения дополнительного затухания МСВ существенно сужают полосу частот передаваемых сверхвысокочастотных колебаний.

Избавиться от этой проблемы удается путем устранения неоднородности распределения внутреннего поля, образующегося вдоль границы «феррит-воздух» (по ней волна перемещается в прямом направлении). Сделать это можно за счет использования магнита особой формы (например, клинообразной), размещенного параллельно стенкам волновода.

В некоторых конструкциях «правильное» распределение магнитного поля в передающем канале удается получить совсем простым способом, не нуждающемся в дополнительных затратах. Он заключается в небольшом смещении прямоугольных ферритовых брусков поперек корпуса волновода. Величина необходимого сдвига, как правило, находится экспериментальным путем.

Для СВЧ колебаний 2-х сантиметрового диапазона оно должно составлять не менее 2-х процентов от ширины ферритовой вставки. Использование магнитов клинообразной формы или небольшое смещение их прямоугольных аналогов не только устраняют условия возбуждения МСВ вдоль границы «феррит-воздух». Одновременно с этим они не препятствуют их проявлению по линии раздела «феррит-металл», вдоль которой ПФВ распространяется в обратном направлении.

Проведенные исследователями эксперименты показали, что величину затухания ПФ волны, движущейся в обратном направлении, а также уменьшение отраженного сигнала удается увеличить дополнительными усилиями. Для этого вдоль границы «феррит-металл» потребуется поменять направление намагниченности вставки с поперечного вертикального на такое же горизонтальное. Все эти действия создают благоприятные условия для более эффективного превращения ПФВ в мгновенно затухающие магнитостатические волны.

Как устроены вентили СВЧ

Типовой вентиль, устанавливаемый на прямоугольном волноводе, содержит в своем составе следующие основные элементы:

1. Постоянный магнит подковообразной формы.
2. Ферритовый корпус.
3. Диэлектрическая пластина.

Диэлектрическая пластина применяется только в случае установки вентиля резонансного типа. Нередко вместо нее используются поглощающие пленки, подходящие для вентилей со смещением поля. Диэлектрическая пластинчатая вставка «3» (Рис-1) позволяет расширить диапазон пропускаемых устройством частот.

Особенности функционирования отдельных составляющих СВЧ вентиля

Работают вентили СВЧ и их составляющие благодаря хорошо известному явлению под названием «ферромагнитный резонанс». Порядок функционирования отдельных элементов легче понять после ознакомления со следующими особенностями прохождения волнового сигнала:

• Для падающей волны в зоне расположения ферритовых вставок вектор внешнего поля направлен против часовой стрелки, что соответствует волнам так называемого «левого вращения».
• Такой СВЧ сигнал распространяется по волноводу с корректирующими элементами практически без потерь.
• Отраженная волна в зоне нахождения ферритовой вставки или конуса характеризуется вектором «правого вращения», вследствие чего она практически полностью поглощается ферритом.

Выполняемые отдельными элементами функции в совокупности с особенностями распространения СВЧ колебаний полностью решают задачу данного устройства. С их помощью вентили СВЧ пропускают сигнал без потерь в одну сторону и не пропускают – в другую.

Плюсы и минусы вентильных устройств

К достоинствам приборов относят:

• Высокую эффективность выполняемых функций.
• Простоту конструкции.
• Ее универсальность.

Универсальность означает, что вентили СВЧ могут устанавливаться на любые типы волноводов при наличии специальных переходников.

Недостаток этих устройств состоит в том, что они нормально функционируют лишь при значительных величинах напряженностей намагничивающего поля. По этой причине в конструкции этих приборов приходится использовать постоянные магниты значительного веса. Эту недоработку вентилей СВЧ удается устранить за счет использования специальных образцов изделий, построенных и работающих по принципу «смешанного поля».

Особенности конструкции вентилей «смешанных полей» и их поляризационных аналогов

По своему конструктивному исполнению вентили СВЧ этого типа очень схожи с обычными резонансными устройствами, но имеют при этом незначительные отличия. Вместо диэлектрической пластины «3» (Рис-1) здесь используется специальное покрытие из радиопоглощающей пленки. Оно наноситься на боковую поверхность ферритового корпуса прибора со стороны его стыковки с волноводом.

Помимо этого приема в данных конструкциях приняты меры к снижению веса постоянного магнита. Добиться этого удается за счет выбора оптимального места расположения ферритовых вставок. Оно выбирается таким образом, чтобы падающая волна при прохождении через бруски соответствовала правому вращению вектора напряженности «H».

При выполнении этого условия магнитная проницаемость ферритового вкладыша будет иметь отрицательное значение, а коэффициент фазы в нем – приближается к нулю. Благодаря этому волновые колебания начнут вытесняться из ферритового корпуса, и будут распространяться по волноводу практически без потерь.

Такая возможность объясняется тем, что в зоне размещения пленочного покрытия напряженность поперечного электромагнитного поля также приближается к нулю.

При этом для отраженной волны создаются совершенно иные условия. В зоне расположения ферритового корпуса она приобретает положительную магнитную проницаемость. Поэтому в данном месте при обратном движении фиксируется максимум поперечной составляющей э/м поля. Именно по этой причине отраженная волна эффективно поглощается размещенным здесь пленочным материалом.

Вентили поляризационного типа

Эта разновидность вентилей изготавливается на основе особого прибора – поляризатора, устанавливаемого на волноводы округлой формы. Работа этих СВЧ устройств основана на известном многим специалистам эффекте Фарадея, состоящем во вращении вектора э/м поля.

Из (Рис-2) хорошо видно, что к корпусу прибора с обеих сторон подведены плавно сужающиеся переходы «2», используемые для стыковки с прямоугольными волноводами I и II (они выполняют функцию входа и выхода вентиля).

Внутри переходов размещены поглощающие пластины «4», снижающие амплитуду проходящей по круглому волноводу волны. При возбуждении прямоугольного входа I колебания СВЧ попадают на направляющие пластины из феррита. Их параметры подобраны так, чтобы магнитное поле колебаний поворачивалось в этом месте на 45 градусов по отношению к плоскости поляризации (против часовой стрелки). После этого в плавном переходе «2» она преобразуется в СВЧ колебания круглого волновода.

Преобразования этого типа осуществляются без поглощения мощности СВЧ сигнала, поскольку силовые линии электромагнитного поля бегущей волны перпендикулярны ферритовой пластинке.

В результате при прохождении через волновод с вентилем поляризационного типа волна практически не теряет своей энергии и полностью сохраняет полевые магнитные характеристики. Для обратной волны создаются условия, при которых она полностью затухает в процессе двойной поляризации. В заключение, все описанные вентили СВЧ широко используются в трактах передачи высокочастотных сигналов в качестве элементов развязки.