Тема II. Нелинейные электрические цепи постоянного тока лекция 3. Элементы нелинейных электрических цепей постоянного тока

1. Основные понятия и определения

Электрическую цепь называют нелинейной, если она содержит элементы, параметры R, L или C которых зависят от значений или направлений тока или напряжения, т.е. если она содержит нелинейные элементы. Строго говоря, все электрические цепи являются нелинейными, т.к. с изменением тока изменяется температура проводников и их сопротивление. Но учет нелинейности элементов электрической цепи – сложная задача. Поэтому, когда в рабочем диапазоне изменения напряжений и токов характеристики элементов близки к линейным, делают допущение о линейности цепи. Это позволяет применять методы анализа и расчета линейных цепей и получать при этом результаты, приемлемые для решения инженерных задач. Вместе с тем принцип действия многих электротехнических устройств основан на свойствах элементов с ярко выраженной нелинейностью ВАХ. Примером могут служить ВАХ диодов (рис. 3.1), стабилитронов – приборов, напряжение на которых в некотором диапазоне изменения тока остается практически неизменным (рис. 3.2). На рис. 3.3 приведена ВАХ характеристика бареттера (прибора, ток которого в определенном диапазоне напряжения U постоянный), а на рис. 3.4 – ВАХ динистора – прибора переключения (коммутации) в цепях больших мощностей.

По форме изображения относительно координат ВАХ нелинейных элементов разделяют на симметричные (рис. 3.3) и несимметричные. Верхний участок АБ ВАХ рис. 3.4 показывает, что с ростом тока напряжение на тиристоре падает. Такой участок называют падающим участком ВАХ.

Все нелинейные элементы могут быть разделены на следующие четыре группы: неуправляемые и управляемые, резистивные и реактивные.

В группу неуправляемых нелинейных элементов (сопротивлений) входят лампы накаливания, электрическая дуга, бареттер (стабилизатор тока), тиритовые и вилитовые сопротивления (последние используют в защитных устройствах высоких энергий), диоды и др.

В группу управляемых нелинейных сопротивлений входят транзисторы, тиристоры и др. В отличие от неуправляемых такие элементы имеют дополнительную управляющую цепь. Их ВАХ изображается семейством кривых.

К резистивным НЭ относятся варисторы и позисторы, полупроводниковые диоды и транзисторы. К реактивным НЭ относятся нелинейные емкости (вариконд [сегнетоэлектрик], варикап) нелинейные индуктивности (катушка с ферромагнитным сердечником). Последние, как правило, применяются в НЭЦ переменного тока. На рис. 3.5 приведены условные графические изображения нелинейных резистивного, индуктивного и емкостного элементов на схемах замещения.

Кроме ВАХ нелинейных элементов, при анализе и расчете электрических цепей используют числовые параметры. К ним относятся статическое, динамическое и среднее сопротивление.

Статическим сопротивлением R_ст нелинейного элемента в точке а его ВАХ называют отношение напряжения на элементе к току в нем

. (3.1)

Статическое сопротивление определяется графически как тангенс угла между прямой, проведенной из начала координат через точку а ВАХ и осью абсцисс.

, (3.2)

где m_U , m_I – масштабы осей тока и напряжения (смотри рис. 3.6).

Статическое сопротивление определяется в режиме постоянного тока, т.е. когда источники переменных ЭДС отсутствуют.

Пример: Определить статическое сопротивление нелинейного элемента для точки а его ВАХ на рис. 3.7.

Решение:

.