Нелинейных электрических цепей

Нелинейные элементы как генераторы высших гармоник

Если нелинейный элемент подключить к генератору синусоидального напряжения, то проходящий через него ток будет иметь несинусоидальную форму. Так как любую периодическую несинусоидальную функцию можно представить гармоническим рядом (рядом Фурье), то нелинейный элемент можно рассматривать как источник (генератор) высших гармоник. Для того чтобы убедиться в этом, рассмотрим рисунок 36.1, на котором кривая 1 изображает ВАХ нелинейного элемента, кривая 2 – синусоидальное напряжение на нем; кривая 3 – ток через нелинейный элемент.

Для построения кривой последовательно придаем значения, равные, например, 0; π/6; π/4; π/3; π/2 и т.д.; для каждого из них находим напряжение u, переносим соответствующее значение u на кривую и из нее определяем значение тока i для взятого момента времени. Найденное значение тока i откладываем на той ординате, которой соответствует выбранный момент времени.

 

 

 

 

 

Аналогично, если через нелинейный элемент пропустить синусоидальный ток, то напряжение на нем будет иметь несинусоидальную форму.

 

Основные преобразования, осуществляемые с помощью

нелинейных электрических цепей

В общем виде неуправляемый или управляемый нелинейный элемент (или совокупность нелинейных элементов) можно представить в виде четырех- или шестиполюсника (рис.36.2). С помощью таких нелинейных четырех- и шестиполюсников можно осуществлять целый ряд весьма важных преобразований:

 

 

1) преобразовать переменный ток в постоянный. Устройства, предназначенные для этого, называют выпрямителями. Выпрямление производят с помощью полупроводниковых, ламповых и других типов диодов. Сопротивление диода в проводящем направлении в тысячи раз меньше, чем в непроводящем. Наибольшее распространение получила мостовая схема однофазного двухполупериодного выпрямителя, представленная на рисунке 36.3,а. Она состоит из четырех полупроводниковых диодов, источника выпрямляемого синусоидального напряжения e (t) и нагрузки R_н.

 

 

Рассмотрим работу мостовой схемы выпрямителя. Источник включен в одну диагональ этой схемы, а нагрузка R_н – в другую. В первый полупериод, когда ЭДС e (t) действует согласно с положительным направлением напряжения на диодах 1 и 3, эти диоды открыты и проводят ток, а диоды 2 и 4 заперты. Во второй полупериод, когда ЭДС e (t) изменит знак и действует согласно с положительным направлением напряжения на диодах 2 и 4, эти диоды отпираются и проводят ток, а диоды 1 и 3 оказываются запертыми и не проводят ток (рис 17.3,б). Как видно из рисунка, ток через нагрузку протекает все время в одном и том же направлении. На рисунке 36.2,б через U ₀ обозначено среднее значение напряжения на нагрузке;

2) преобразовать постоянный ток в переменный с помощью устройств, которые называют автогенераторами или инверторами;

3) осуществить умножение частоты, т.е. получить на выходе четырехполюсника напряжение, частота которого в несколько раз больше частоты входного напряжения. Устройства, с помощью которых осуществляют умножение частоты, называют умножителями частоты.

4) произвести деление частоты, т.е. выполнить операцию, обратную умножению частоты. Четырехполюсники, выполняющие эту функцию называют делителями частоты;

5) стабилизировать напряжение (ток), т.е. получить на выходе четырехполюсника напряжение (ток) почти не изменяющееся по модулю при значительном изменении входного напряжения. Такие четырехполюсники называют стабилизаторами напряжения (тока);

6) осуществить триггерный эффект, т.е. эффект резкого (скачкообразного) изменения выходной величины при незначительном изменении входной;

7) произвести модуляцию. Под модуляцией понимают процесс преобразования амплитуды (фазы или частоты) высокочастотного колебания по закону низкочастотного управляющего сигнала. Устройства, предназначенные для этого, называют модуляторами;

8) осуществить демодуляцию (детектирование), т.е. выделить из высокочастотного модулированного колебания запечатленный в нем низкочастотный управляющий сигнал;

9) преобразовать желаемым образом форму входного напряжения. Например, при подаче на вход нелинейного четырехполюсника напряжения синусоидальной формы на его выходе получить напряжение прямоугольной или пикообразной формы;

10) произвести усиление напряжения (тока), т.е. получить на выходе нелинейного устройства напряжение значительно большее, чем управляющее напряжение на его входе. При этом управляющее напряжение может быть как переменным, так и постоянным.

При помощи трансформатора также можно усиливать напряжение, однако, в усилителях напряжения на нелинейных элементах энергия, потребляемая управляющей цепью, может быть в сотни, тысячи раз меньше энергии на выходе усилителя, тогда как в обычных трансформаторах эти энергии почти равны;

11) осуществить усиление мощности, т.е. выделить на выходе устройства (в нагрузке) мощность, значительно большую мощности, поступающей в управляющую цепь;

12) произвести степенное и логарифмическое преобразование входного напряжения (тока).

С помощью нелинейных электрических цепей кроме перечисленных можно осуществить и другие нелинейные преобразования. К их числу относится, например, плавное преобразование частоты с помощью нелинейных четырех- и шестиполюсников, не содержащих подвижных частей.

Нелинейные устройства широко применяются для умножения электрическим путем двух, трех функций и более, а также в качестве запоминающих и логических устройств в вычислительной технике.