Лабораторна робота №2

Дослідження нелінійного кола постійного струму

Мета роботи: дослідити нелінійні елементи і електричне коло з нелінійними елементами при послідовному, паралельному і мішаному з’єднанні.

2.1 Основні теоретичні положення

Електричне коло вважається нелінійним, якщо в ньому є хоча б один нелінійний елемент (НЕ). Нелінійний елемент – це елемент, а якому струм і напруга зв’язані між собою нелінійно. Залежність між напругою і струмом на НЕ називається вольт-амперною характеристикою (ВАХ).

Суттєвою особливістю нелінійних електричних кіл є неможливість застосувати до них метода накладання. Процеси в нелінійних електричних колах описуються нелінійними алгебраїчними або диференційними рівняннями.

Нелінійні елементи поділяються на нелінійні опори, нелінійні індуктивності, нелінійні ємності.

У нелінійних елементів вольт-амперна характеристика U = f(I) представляє собою не пряму, яка проходить через початок координат, що характерно для лінійних елементів, а криву різної форми (рис. 2.1 – 2.4).

На рис. 2.1 зображені умовне позначення і вольт-амперна характеристика напівпровідникового діода. Різка залежність опору діодів від полярності прикладеної напруги дозволяє перетворювати змінну напругу в постійну.

В стабілізаторах напруги використовуються властивості стабілітронів, напруга на яких в деякому діапазоні зміни струму практично залишається незмінною. На рис. 2.2 приведена вольт-амперна характеристика напівпровідникового стабілітрона.

Велике застосування в техніці отримали керовані нелінійні елементи, що володіють сімейством вольт-амперних характеристик, кожна з яких відповідає деякому певному значенню параметра керуючого сигналу. На рис. 2.3 показано сімейство вольт-амперних характеристик терморезистора (термістора). Керуючим параметром для термістора являється температура навколишнього середовища tº.

Рисунок 2.1 – Вольт-амперна характеристика і умовне позначення напівпровідникового діода

Рисунок 2.2 – Вольт-амперна характеристика і умовне позначення напівпровідникового стабілітрона

Рисунок 2.3 – Сімейство вольт-амперних характеристик і умовне позначення термістора

Рисунок 2.4 – Сімейство вольт-амперних характеристик і умовне позначення транзистора типу n-p-n

Керовані нелінійні елементи отримали особливо широке поширення в технічній електроніці. На рис. 2.4 показано умовне графічне позначення керованого напівпровідникового приладу – транзистора типу n-p-n. Опір транзистора між колектором (к) і емітером (е) залежить від струму бази (б). Тут же представлено сімейство вольт-амперних характеристик транзистора I_к (U_к) при різних значеннях керуючого струму бази І_б.

Рисунок 2.5 – Визначення статичного і динамічного опорів нелінійного елемента

Характеристики нелінійних елементів визначаються експериментально і дають вичерпну інформацію про властивості елементів. Разом з тим при аналізу і розрахунку нелінійних кіл користуються також поняттями параметрів нелінійних елементів, наприклад поняттями статичного і динамічного опорів. Статичним опором нелінійного елементу R_ст в заданій точці а його характеристики називають відношення напруги на елементі до струму в ньому. Статичний опір можна визначити графічно як тангенс кута між прямою, проведеною від початку координат через дану точку а вольт-амперної характеристики (рис. 6.5), і віссю абсцис:

R_ст = U/I =(m_U / m_I) tgα ,

де m_U і m_I – відповідно масштаби напруги і струму на рис. 2.5.

Динамічним опором нелінійного елементу R_дин в заданій точці а його характеристики називають відношення нескінченно малого приросту напруги до відповідного приросту струму. Динамічний опір можна визначити графічно як тангенс кута між дотичною в даній точці а вольт-амперної характеристики (рис. 2.5) і віссю абсцис:

R_дин = dU/dI =(m_U / m_I) tgβ .

Очевидно, що статичний і динамічний опори нелінійного елементу являються функціями струму і напруги. Аналогічно визначаються статична і динамічна ємність і індуктивність.