20. Нелинейные индуктивности и емкости.
Нелинейные индуктивные элементы
Типичными динамическими нелинейными элементами электрической цепи являются катушки с сердечниками из ферромагнитных материалов – сплавов на основе металлов группы железа или их оксидов – ферритов. Нелинейность таких элементов обусловлена характеристикой намагничивания материала сердечника B(H). Поскольку в приближении теории магнитных цепей для замкнутого неразветвленного сердечника с постоянным сечением s и длиной l средней магнитной линии магнитный поток Ф пропорционален индукции B: Ф = Bs, а напряженность H связана с током i в обмотке, имеющей w витков, соотношением H = iw/l, то вид зависимости B(H) предопределяет характер вебер-амперной характеристики катушки Y(i) (Y = Фw – потокосцепление обмотки). Типичная вебер- амперная характеристика индуктивного элемента приведена на рис. 10.5, а. В общем случае вид ВАХ индуктивного элемента определяется многими факторами, и она часто является неоднозначной. Например, при циклическом намагничивании сердечника зависимость Y(i) имеет гистерезисный характер (рис. 10.5, б). В этом случае процесс перемагничивания сопровождается необратимыми потерями в сердечнике.
Нелинейный элемент индуктивности характеризуется согласно (1.8) статической индуктивностью Lст = Y/i и дифференциальной индуктивностью Lд = dY/di, которые зависят от намагничивающего тока i.
Нелинейные емкостные элементы.
Нелинейные
емкостные элементы могут служить
моделями конденсаторов, диэлектрическая
проницаемость e которых является функцией
от напряженности электрического поля
E
в
диэлектрике. Такие емкостные элементы
описываются нелинейной вольт-кулоновой
характеристикой – зависимостью заряда
q
от
приложенного напряжения u.
Подобными свойствами обладают, в
частности, сегнетоэлектрики, вольт-
амперные характеристики которых,
аналогичны характеристикам ферромагнетиков
(рис. 10.6, а);
обратно смещенные p-n-переходы
(рис. 10.6, б)
и
др.
Нелинейный элемент емкости характеризуется согласно (1.11) статической емкостью Сст = q/uс и дифференциальной емкостью Сд = dq/duс, которые зависят от приложенного напряжения uс.
На рис. 10.6, в, г, показан характер изменения дифференциальной емкости для вольт-кулонных характеристик, изображенных на рис. 10.6, а и б, соответственно.
21. Устройства на нелинейных индуктивностях.
Под нелинейными индуктивными элементами понимают индуктивные катушки с обмотками, намотанными на замкнутые сердечники из ферромагнитного материала, для которых зависимость магнитного потока в сердечнике от протекающего по обмотке тока нелинейна. Индуктивное сопротивление таких катушек, оказываемое прохождению переменного тока, не постоянно; оно зависит от значения переменного тока. Условимся называть их нелинейными индуктивными катушками.
Нелинейные индуктивные катушки подразделяют на управляемые и неуправляемые, но деление на безынерционные и инерционные на них не распространяется, так как их нелинейность обусловлена свойствами ферромагнитного материала, а не тепловым эффектом.
На электрических схемах нелинейную индуктивную катушку изображают в виде замкнутого сердечника с обмоткой (рис. 15.1, а) или как показано на рис. 15.1, б.
Сердечники нелинейных индуктивных катушек при относительно низких частотах делают обычно двух типов: пакетные и спиральные.
Пакетные сердечники состоят из тонких пластин ферромагнитного материала кольцевой, П- или Ш-образной формы.
Спиральные сердечники изготовляют из тонкой ферромагнитной ленты. По форме они напоминают туго навитую часовую пружину.
Пластины пакетного и отдельные витки спирального сердечников изолируют друг от друга эмалевым лаком, жидким стеклом или каким-либо иным изолирующим составом и запекают. Изоляция необходима для уменьшения потерь энергии в сердечнике от вихревых токов.
При высоких частотах резко возрастают потери в листовых сердечниках, поэтому сердечники, предназначенные для работы на высоких частотах, выполняют обычно из магнитомягкого феррита.
Рис. 15.1