Преподаватель НКСЭ Кривоносова Н.В.

Нелинейные элементы Вольт-амперные характеристики (ВАХ) нелинейных элементов Классификация нелинейных элементов Нелинейные электрические цепи Методы расчета нелинейных цепей Графический метод расчета нелинейных цепей постоянного тока Вопросы

Нелинейными называются элементы, параметры которых зависят от величины и (или) направления связанных с этими элементами переменных (напряжения, тока, магнитного потока, заряда, температуры, светового потока и др.)

К нелинейным элементам электрических целей относятся разнообразные электронные, полупроводниковые и ионные приборы, устройства, содержащие намагничивающие обмотки с ферромагнитными магнитопроводами (при переменном токе), лампы накаливания, электрическая дуга и др.

Важнейшей характеристикой нелинейных элементов является вольт-амперная характеристика (ВАХ), представляющая собой зависимость между током нелинейного элемента и напряжением на его выводах: I ( U ) или U ( I ).

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) нелинейных элементов отличается от прямой линии.

Нелинейные элементы описываются нелинейными характеристиками, которые не имеют строгого аналитического выражения, определяются экспериментально и задаются таблично или графиками.

а линейный элемент б лампа накаливания в - полупроводниковый диод г - транзистор (при различных токах базы) д - терморезистор е - стабилитрон

Нелинейные элементы можно разделить на двух – и многополюсные. Последние содержат три (различные полупроводниковые и электронные триоды) и более (магнитные усилители, многообмоточные трансформаторы, тетроды, пентоды и др.) полюсов, с помощью которых они подсоединяются к электрической цепи.

Нелинейные элементы можно разделить на инерционные и безынерционные.

Инерционными называются элементы, характеристики которых зависят от скорости изменения переменных. Для таких элементов статические характеристики, определяющие зависимость между действующими значениями переменных, отличаются от динамических характеристик, устанавливающих взаимосвязь между мгновенными значениями переменных.

Безынерционными называются элементы, характеристики которых не зависят от скорости изменения переменных. Для таких элементов статические и динамические характеристики совпадают.

Понятия инерционных и безынерционных элементов относительны: элемент может рассматриваться как безынерционный в допустимом (ограниченном сверху) диапазоне частот, при выходе за пределы которого он переходит в разряд инерционных.

В зависимости от вида характеристик различают нелинейные элементы с симметричными и несимметричными характеристиками.

Симметричной называется характеристика, не зависящая от направления определяющих ее величин, т.е. имеющая симметрию относительно начала системы координатF(x)=-F(-x). Для несимметричной характеристики это условие не выполняется, т.е. F(x)-F(-x)

а, в – симметричные ВАХ б, г – несимметричные ВАХ

По типу характеристики можно также разделить все нелинейные элементы на элементы с однозначной и неоднозначной характеристиками. Однозначной называется характеристика, у которой каждому значению х соответствует единственное значение y и наоборот. В случае неоднозначной характеристики каким-то значениям х может соответствовать два или более значения y или наоборот.

Все нелинейные элементы можно разделить на управляемые и неуправляемые. В отличие от неуправляемых управляемые нелинейные элементы (обычно трех- и многополюсники) содержат управляющие каналы, изменяя напряжение, ток, световой поток и др. в которых, изменяют их основные характеристики.

Примеры неуправляемых нелинейных элементов: лампы накаливания, электрическая дуга, бареттер, стабилитрон, нелинейное полупроводниковое сопротивление, диоды и др. Примеры управляемых нелинейных элементов: электронные лампы, транзисторы, тиристоры и др.

Нелинейными называются электрические цепи, содержащие нелинейные элементы

Общих методов расчета нелинейных цепей не существует. Известные приемы и способы имеют различные возможности и области применения. В общем случае при анализе нелинейной цепи описывающая ее система нелинейных уравнений может быть решена следующими методами: графическими; аналитическими; графо-аналитическими; итерационными.

При использовании этих методов задача решается путем графических построений на плоскости. При этом характеристики всех ветвей цепи следует записать в функции одного общего аргумента. Благодаря этому система уравнений сводится к одному нелинейному уравнению с одним неизвестным. Формально при расчете различают цепи с последовательным, параллельным и смешанным соединениями.

а - схема последовательного соединения двух нелинейных элементов НЭ1 и НЭ2 б - характеристики I(U1) и I(U2) для НЭ1 и НЭ2 соответственно Цепи с последовательным соединением нелинейных резистивных элементов При последовательном соединении нелинейных резисторов в качестве общего аргумента принимается ток, протекающий через последовательно соединенные элементы.

По заданным ВАХ отдельных нелинейных резистивных элементов U1(I), U2(I) в системе декартовых координат U- I строится результирующая зависимость U(I)=U n (I) (рис б). Затем на оси напряжений откладывается точка, соответствующая в выбранном масштабе заданной величине напряжения на входе цепи, из которой восстанавливается перпендикуляр до пересечения с зависимостью U(I). Из точки пересечения перпендикуляра с кривой U(I) опускается ортогональ на ось токов – полученная точка соответствует искомому току в цепи, по найденному значению которого с использованием зависимостей U1(I) и U2(I) определяются напряжения U1 и U2 на отдельных нелинейных резистивных элементах. Цепи с последовательным соединением нелинейных резистивных элементов

а - схема параллельного соединения двух нелинейных элементов НЭ1 и НЭ2 б - характеристики I(U1) и I(U2) для НЭ1 и НЭ2 соответственно Цепи с параллельным соединением нелинейных резистивных элементов При параллельном соединении нелинейных резисторов в качестве общего аргумента принимается напряжение, приложенное к параллельно соединенным элементам.

По заданным ВАХ I1(U), I2(U) отдельных резисторов в системе декартовых координат U-I строится результирующая зависимость I(U)=I n ( U). Затем на оси токов откладывается точка, соответствующая в выбранном масштабе заданной величине тока источника на входе цепи (при наличии на входе цепи источника напряжения задача решается сразу путем восстановления перпендикуляра из точки, соответствующей заданному напряжению источника, до пересечения с ВАХ I n (U), из которой восстанавливается перпендикуляр до пересечения с зависимостью I(U). Из точки пересечения перпендикуляра с кривой I(U) опускается ортогональ на ось напряжений – полученная точка соответствует напряжению на нелинейных резисторах, по найденному значению которого с использованием зависимостей I n (U) определяются токи I 1 и I2 в ветвях с отдельными резистивными элементами. Цепи с параллельным соединением нелинейных резистивных элементов

1.Какие элементы электрических цепей являются не линейными? 2.Как классифицируются нелинейные элементы? 3.Назовите примеры нелинейных элементов цепей? 4.Что такое вольт-амперная характеристика? 5.В чем заключается графический метод расчета нелинейных электрических цепей постоянного тока?