Нелінійні елементи, їх класифікація, і застосування

 

Нелінійними елементами електричного кола називаються такі елементи параметри, яких залежать від напруг, струмів, магнітних потоків та інших величин, тобто це елементи з нелінійними вольтамперних, вебер-амперних і кулон-вольтні характеристиками. Принципово всі елементи електричних ланцюгів в більшій чи меншій мірі нелінійні, але якщо нелінійність істотно не впливає на характер процесів в ланцюзі, то нею нехтують і вважають коло лінійним. Наявність навіть одного нелінійного елемента в колі не дозволяє застосувати для її аналізу методи, засновані на поділі реакції кола, такі як метод контурних струмів, метод накладення, метод еквівалентного генератора. При наявності нелінійності аналіз процесів значно ускладнюється і якщо це можливо, то характеристики нелінійних елементів линеаризующим, апроксимуються поліномами і т.п. У сучасній техніці нелінійні елементи знаходять дуже широке поширення. З їх допомогою перетворюється електрична енергія, генеруються сигнали із заданими властивостями, перетвориться і зберігається інформація. Вони застосовуються в енергетиці, автоматиці, радіотехніці, обчислювальної техніки та інших областях, пов'язаних із застосуванням електричної енергії.

Призначення нелінійних елементів в електричних ланцюгах.

В електричні кола можуть входити пасивні елементи, електричний опір яких істотно залежить від струму або напруги, в результаті чого струм не знаходиться в прямо пропорційній залежності по відношенню до напруги. Такі елементи і електричні ланцюги, в які вони входять, називають нелінийми елементами.

Нелінійні елементи надають електричних ланцюгів властивості, недосяжні в лінійних ланцюгах (стабілізація напруги або струму, посилення постійного струму та ін.) Вони бувають некеровані і керовані. Перші - двухполюсники - призначені для роботи без впливу на них керуючого фактора (напівпровідникові терморезистори і діоди), а другі - багатополюсників - використовуються при впливі на них керуючого фактора (транзистори і тиристори).

Вольт-амперні характеристики нелінійних елементів

Електричні властивості нелінійних елементів представляють вольт-амперних характеристиками (U) експериментально отриманими графіками, що відображають залежність струму від напруги, для яких іноді становлять наближену, зручну для розрахунків емпіричну формулу.

Некеровані нелінійні елементи мають одну вольт-амперну характеристику, а керовані - сімейство таких характеристик, параметром якої є керуючий фактор.

У лінійних елементів електричний опір постійно, тому вольт-амперна характеристика їх є прямою лінією, що проходить через початок координат (рис. 1, а).

Вольт-амперні характеристики нелінійних мають різну форму і поділяються на симетричні і несиметричні щодо осей координат (рис. 1, б, в).

 

Рис.1.Вольт - амперні характеристики пасивних елементів: а - лінійних, б - нелінійних симетричних, в - нелінійних несиметричних

 

Рис. 2. Графіки для визначення статичного до диференціального опорів нелінійних елементів на ділянках вольт-амперних характеристик: а - висхідному, б - падаючому

 

У нелінійних елементів із симетричною вольт-амперної характеристикою, або у симетричних, елементів, зміна напряму напруги не викликає зміни значення струму (рис. 1, б), а у нелінійних елементів з несиметричною вольт-амперної характеристикою, або у несиметричних елементів, при одному і тому ж абсолютному значенні напруги, спрямованого в протилежні сторони, струми різні (рис. 1, в). Тому нелінійні симетричні елементи застосовують в ланцюгах постійного і змінного струму, а нелінійні несиметричні елементи, як правило, в ланцюгах змінного струму для перетворення змінного струму в струм постійного напряму.

 

Характеристики нелінійних елементів

 

Для кожного нелінійного елемента розрізняють статичний опір, відповідне даній точці вольт-амперної характеристики, наприклад, точці А:

 

Rст = U/I = muOB / miBA = mr tgα

 

і диференціальне опір, який для. тієї ж точки А визначається за формулою:

 

Rдиф = dU/dI = muDC / miCA = mr tgβ,

 

де mu, mi, mr - відповідно масштаб напруг, струмів та опорів.

Статичний опір характеризує властивості нелінійного елемента в режимі постійного струму, а диференціальне - при малих відхиленнях струму від сталого значення. Обидва вони змінюються при переході від однієї точки і вольт-амперної характеристики до іншої, причому перше завжди позитивне, а друге - знакозмінні: на висхідному ділянці вольт-амперної характеристики воно позитивне, а на падаючому ділянці - негативне.

Нелінійні елементи характеризуються також зворотними величинами: статичної провідністю Gст і диференціальної провідністю Gдиф або безрозмірними параметрами –

відносним опором:

Kr = - (Rдиф / Rст)

або відносної провідністю:

Kg = - (Gдиф / Gст)

У лінійних елементів параметри Kr і Kg рівні одиниці, а у нелінійних елементів відрізняються від неї, причому чим більше вони відрізняються від одиниці, тим більше проявляється нелінійність електричного кола.