Nieliniowe obwody elektryczne
Przeznaczenie elementów nieliniowych w obwodach elektrycznych
V obwody elektryczne może zawierać elementy pasywne, opór elektryczny który zasadniczo zależy od prądu lub naprężenia, w wyniku czego prąd nie jest wprost proporcjonalny do napięcia. Takie elementy i obwody elektryczne, w które wchodzą, nazywane są elementami nieliniowymi.
Elementy nieliniowe nadają obwodom elektrycznym właściwości nieosiągalne w obwodach liniowych (stabilizacja napięcia lub prądu, wzmocnienie DC itp.). Są niesterowalne i sterowane... Pierwszy — bipolarny — przeznaczony jest do pracy bez wpływu na nie czynnika sterującego (termistory i diody półprzewodnikowe), a drugi — wielobiegunowy — jest stosowany, gdy oddziałuje na nie czynnik sterujący (tranzystory i tyrystory).
Charakterystyki prądowo-napięciowe elementów nieliniowych
Właściwości elektryczne elementów nieliniowych to charakterystyki prądowo-napięciowe I (U) otrzymane eksperymentalnie wykresy pokazujące zależność prądu od napięcia, dla których czasami sporządza się przybliżony, wygodny do obliczeń wzór empiryczny.
Elementy nieliniowe niesterowane mają jedną charakterystykę prądowo-napięciową, a elementy nieliniowe sterowane rodzinę takich charakterystyk, których parametrem jest czynnik sterujący.
Elementy liniowe mają stałą rezystancję elektryczną, więc ich charakterystyka prądowo-napięciowa jest linią prostą przechodzącą przez początek (ryc. 1, a).
Charakterystyki prądowo-napięciowe nieliniowych mają inny kształt i są podzielone na symetryczne i asymetryczne względem osi współrzędnych (ryc. 1, b, c).
Ryż. 1. Charakterystyki prądowo-napięciowe elementów biernych: a — liniowa, b — nieliniowa symetryczna, c — nieliniowa asymetryczna
Ryż. 2. Wykresy do wyznaczania rezystancji statycznej do różnicowej elementów nieliniowych w przekrojach charakterystyki prądowo-napięciowej: a — narastająca, b — opadająca
Dla elementów nieliniowych o symetrycznej charakterystyce prądowo-napięciowej lub dla elementów symetrycznych zmiana kierunku napięcia nie powoduje zmiany wartości prądu (rys. 1, b), a dla elementów nieliniowych o asymetrycznym napięciu -charakterystyka prądowa lub dla elementów asymetrycznych, przy jednej i tej samej wartości bezwzględnej napięcia skierowanego w przeciwnych kierunkach, prądy są różne (ryc. 1, c). Dlatego nieliniowe elementy symetryczne są stosowane w obwodach prądu stałego i przemiennego, a nieliniowe elementy niezrównoważone z reguły w obwodach prądu przemiennego do konwersji prądu przemiennego na prąd stały.
Charakterystyki elementów nieliniowych
Dla każdego elementu nieliniowego wyróżnia się rezystancję statyczną odpowiadającą danemu punktowi charakterystyki prądowo-napięciowej, np. punktowi A:
Rst = U / I = muOB / miBA = pan tgα
i opór różnicowy, który jest dla. ten sam punkt A jest określony wzorem:
Rdiff = dU / dI = muDC / miCA = mr tgβ,
gdzie mi, mi, sir — odpowiednio skala napięć, prądów i rezystancji.
Rezystancja statyczna charakteryzuje właściwości elementu nieliniowego w trybie stałoprądowym, a rezystancja różnicowa — dla małych odchyleń prądu od wartości stanu ustalonego. Oba zmieniają się podczas przechodzenia z jednego punktu i charakterystyki prądowo-napięciowej do drugiej, przy czym pierwsza jest zawsze dodatnia, a druga zmienna: w części wznoszącej charakterystyki prąd-napięcie jest dodatnie, aw części opadającej jest ujemne.
Elementy nieliniowe charakteryzują się również odwrotnymi wartościami: przewodnictwa statycznego Gst i przewodnictwa różniczkowego Ginne lub bezwymiarowe parametry —
względny opór:
Kr = — (Rróżnica /Rst)
lub przewodność względna:
Kg = — (Gróżnica / Gst)
Elementy liniowe mają parametry Kr i Kilogram równe jeden, a dla elementów nieliniowych różnią się od niego, a im bardziej różnią się od jedności, tym bardziej przejawia się nieliniowość obwodu elektrycznego.
Obliczanie nieliniowych obwodów elektrycznych
Nieliniowe obwody elektryczne są obliczane graficznie i analitycznie na podstawie Prawa Kirchhoffa oraz charakterystyki woltowo-amperowe poszczególnych elementów obwodów prądu przemiennego do przetwarzania prądu przemiennego na prąd stały.
Obliczając graficznie obwód elektryczny z dwoma połączonymi szeregowo nieliniowymi rezystorami R1 i R2 o charakterystykach prądowo-napięciowych Iz (U1) i Iz (U2), zbuduj charakterystykę prądowo-napięciową całego obwodu Iz (U), gdzie U = U1 + U2, których odcięte punkty znajdują się przez zsumowanie odciętych punktów charakterystyk prądowo-napięciowych nieliniowych rezystorów o równych rzędnych (ryc. 3, a, b).
Ryż. 3. Schematy i charakterystyki nieliniowych obwodów elektrycznych: a — schemat połączenia szeregowego rezystorów nieliniowych, b — charakterystyki woltowo-amperowe poszczególnych elementów i obwód szeregowy, c — schemat połączenia równoległego rezystorów nieliniowych, d — charakterystyki woltowo-amperowe poszczególnych elementów i obwodu równoległego.
Obecność tej krzywej pozwala napięciu U znaleźć prąd Az oraz napięcie U1 i U2 na zaciskach rezystorów.
W ten sam sposób przeprowadza się obliczenia obwodu elektrycznego z dwoma połączonymi równolegle rezystorami. R1 i R2 o charakterystykach prądowo-napięciowych I1 (U) i Az2 (U), dla których zbudowano charakterystykę prądowo-napięciową całego obwodu Az(U), gdzie Az = I1+I2, na którym przy zadanym napięciu U znajdź prądy Az , I1, I2 (oriz. 3, c, d).
Analityczna metoda obliczania nieliniowych obwodów elektrycznych polega na przedstawieniu charakterystyk napięciowych elementów nieliniowych za pomocą równań odpowiednich funkcji matematycznych, które umożliwiają sporządzenie niezbędnych równań stanu obwodów elektrycznych .Ponieważ rozwiązanie takich nieliniowych równań często powoduje znaczne trudności, analityczna metoda obliczania obwodów nieliniowych jest wygodna, gdy sekcje robocze charakterystyk prądowo-napięciowych elementów nieliniowych można wyprostować. Pozwala to opisać stan elektryczny obwodu za pomocą równań liniowych, które nie stwarzają trudności w ich rozwiązaniu.
Podstawy elektrotechniki:
O różnicy potencjałów, sile elektromotorycznej i napięciu
Prąd elektryczny w cieczach i gazach
O polu magnetycznym, solenoidach i elektromagnesach
Indukcja własna i indukcja wzajemna
Pole elektryczne, indukcja elektrostatyczna, pojemność i kondensatory
Co to jest prąd przemienny i czym różni się od prądu stałego
