Нелинейными элементами являются все полупроводниковые и электронные приборы, работающие с сигналами, мгновенные значения которых изменяются в достаточно широких пределах. Для конкретности будем рассматривать нелинейные двухполюсники, когда входным сигналом служит напряжение , а выходным - ток
в нем. Все методы и результаты можно перенести и на случай нелинейного четырехполюсника, например, - транзистора, работающего в нелинейном режиме при больших значениях амплитуды входного сигнала. Здесь выходная цепь представляется источником тока, управляемым входным напряжением.Характеристика нелинейного элемента устанавливает функциональную нелинейную связь между напряжением
и силой тока
в нем:

(2.1)

В инерционном элементе мгновенное значение тока
зависит не только от значения напряжения
в тот же момент времени, но и от значений этого напряжения в предыдущие моменты времени.Безинерционных элементов, строго говоря, не существует. Условие безинерционности выполняется приближенно, если характерное время изменения входного сигнала значительно превышает время установления процесса внутри самого нелинейного элемента. Время установления стационарного состояния в полупроводниковых приборах составляет
с.

Инерционность приборов может быть связана с инерционностью носителей тока. С увеличением частоты колебаний она начинает проявляться, когда время прохождения носителей через прибор становится соизмеримым с периодом колебаний. Такая инерционность проявляется в возникновении запаздывания (сдвига) фаз выходного тока относительно входного напряжения, изменении активного входного и выходного сопротивлений и превращении их в комплексные и т. п. В результате обычно уменьшаются коэффициенты усиления усилителей, выходные мощности генераторов. Характерным типом инерционности является тепловая инерционность в изменении температуры, а значит, - и сопротивления терморезисторов. Лишь при достаточно низкой частоте колебаний его температура элемента успевает следовать за мгновенными значениями напряжения. Например, уже при частоте
Гц сопротивление нити лампы накаливания уже практически не успевает изменяться, что обеспечивает равномерное освещение. Подобные инерционные элементы применяют в генераторах гармонических колебаний для улучшения их характеристик.

Расчет нелинейного инерционного устройства можно упростить, если удается представить его соединением двух более простых устройств: нелинейного безинерционного устройства и линейного инерционного устройства (фильтра). Такой подход можно применить, например, для расчета резонансного или полосового усилителя при больших амплитудах входного сигнала. Пусть активный элемент усилителя (транзистор или электронную лампу) можно представить безинерционным нелинейным устройством, а нелинейными искажениями в его пассивной нагрузке (колебательном контуре или системе связанных контуров) можно пренебречь. Нагрузку, содержащую реактивные элементы, аппроксимируют линейным инерционным устройством.

Те элементы электрической цепи, для которых зависимость тока от напряжения I(U) или напряжения от тока U(I), а также сопротивление R, постоянны, называются линейными элементами электрической цепи. Соответственно и цепь, состоящая из таких элементов, именуется линейной электрической цепью.

Для линейных элементов характерна линейная симметричная вольт-амперная характеристика (ВАХ), выглядящая как прямая линия, проходящая через начало координат под определенным углом к координатным осям. Это свидетельствует о том, что для линейных элементов и для линейных электрических цепей строго выполняется.

Кроме того речь может идти не только об элементах, обладающих чисто активными сопротивлениями R, но и о линейных индуктивностях L и емкостях C, где постоянными будут зависимость магнитного потока от тока - Ф(I) и зависимость заряда конденсатора от напряжения между его обкладками - q(U).

Яркий пример линейного элемента - . Ток через такой резистор в определенном диапазоне рабочих напряжений линейно зависит от величины сопротивления и от приложенного к резистору напряжения.

Нелинейные элементы

Если же для элемента электрической цепи зависимость тока от напряжения или напряжения от тока, а также сопротивление R, непостоянны, то есть изменяются в зависимости от тока или от приложенного напряжения, то такие элементы называются нелинейными, и соответственно электрическая цепь, содержащая минимум один нелинейный элемент, окажется .

Вольт-амперная характеристика нелинейного элемента уже не является прямой линией на графике, она непрямолинейна и часто несимметрична, как например у полупроводникового диода. Для нелинейных элементов электрической цепи закон Ома не выполняется.

В данном контексте речь может идти не только о лампе накаливания или о полупроводниковом приборе, но и о нелинейных индуктивностях и емкостях, у которых магнитный поток Ф и заряд q нелинейно связаны с током катушки или с напряжением между обкладками конденсатора. Поэтому для них вебер-амперные характеристики и кулон-вольтные характеристики будут нелинейными, они задаются таблицами, графиками или аналитическими функциями.

Пример нелинейного элемента - лампа накаливания. С ростом тока через нить накаливания лампы, ее температура увеличивается и сопротивление возрастает, а значит оно непостоянно, и следовательно данный элемент электрической цепи нелинеен.

Для нелинейных элементов свойственно определенное статическое сопротивление в каждой точке их ВАХ, то есть каждому отношению напряжения к току, в каждой точке на графике, - ставится в соответствие определенное значение сопротивления. Оно может быть посчитано как тангенс угла альфа наклона графика к горизонтальной оси I, как если бы эта точка лежала на линейном графике.

Еще у нелинейных элементов есть так называемое дифференциальное сопротивление, которое выражается как отношение бесконечно малого приращения напряжения - к соответствующему изменению тока. Данное сопротивление можно посчитать как тангенс угла между касательной к ВАХ в данной точке и горизонтальной осью.

Такой подход делает возможным простейший анализ и расчет простых нелинейных цепей.

На рисунке выше показана ВАХ типичного . Она располагается в первом и в третьем квадрантах координатной плоскости, это говорит нам о том, что при положительном или отрицательном приложенном к p-n-переходу диода напряжении (в том или ином направлении) будет иметь место прямое либо обратное смещение p-n-перехода диода. С ростом напряжения на диоде в любом из направлений ток сначала слабо увеличивается, а после резко возрастает. По этой причине диод относится к неуправляемым нелинейным двухполюсникам.

На этом рисунке показано семейство типичных ВАХ в разных условиях освещенности. Основной режимом работы фотодиода - режим обратного смещения, когда при постоянном световом потоке Ф ток практически неизменен в довольно широком диапазоне рабочих напряжений. В данных условиях модуляция освещающего фотодиод светового потока, приведет к одновременной модуляции тока через фотодиод. Таким образом, фотодиод - это управляемый нелинейный двухполюсник.

Это ВАХ , здесь видна ее явная зависимость от величины тока управляющего электрода. В первом квадранте - рабочий участок тиристора. В третьем квадранте начало ВАХ - малый ток и большое приложенное напряжение (в запертом состоянии сопротивление тиристора очень велико). В первом квадранте ток велик, падение напряжения мало - тиристор в данный момент открыт.

Момент перехода из закрытого - в открытое состояние наступает тогда, когда на управляющий электрод подан определенный ток. Переключение из открытого состояния - в закрытое происходит при снижении тока через тиристор. Таким образом, тиристор - это управляемый нелинейный трехполюсник (как и транзистор, у которого ток коллектора зависит от тока базы).

Классификация нелинейных элементов

Нелинейные цепи - это цепи, в которых есть хотя бы один нелинейный элемент. Нелинейный элемент - это элемент, для которого связь тока и напряжения задают нелинейным уравнением.

В нелинейных цепях не выполняется принцип наложения, и поэтому нет общих методов расчёта. Это вызывает необходимость разработки специальных методов расчета для каждого типа нелинейных элементов и режима их работы.

Нелинейные элементы классифицируют:

1) по физической природе: проводниковые, полупроводниковые, диэлектрические, электронные, ионные и т.д.;

2) по характеру делят на резистивные, емкостные и индуктивные;

ВАХ КВХ ВАХ

3) по виду характеристик все элементы делят

На симметричные и несимметричные. Симметричные - это такие, у которых характеристика симметрична относительно начала координат. Для не симметричных элементов раз и навсегда выбирают положительное направление напряжения или тока и для них в справочниках приводится ВАХ. Только такое направление можно использовать при решении задач с использованием этих ВАХ.

На однозначные и неоднозначные. Неоднозначные, когда одному значению тока или напряжения на ВАХ соответствуют несколько точек;

4) инерционные и безынерционные элементы. Инерционными элементами называют такие элементы, у которых нелинейность обусловлена нагревом тела при прохождении тока. Т. к. температура не может изменяться сколь угодно быстро, то при прохождении по такому элементу переменного тока с достаточно высокой частотой и неизменным действующим значением, температура элемента остается практически постоянной в течение всего периода изменения тока. Поэтому для мгновенных значений элемент оказывается линейным и характеризуется какой-то постоянной величиной R (I,U). Если же изменится действующее значение тока, то изменится температура и получится другое сопротивление, т. е. для действующих значений элемент станет нелинейным.

5) управляемые и неуправляемые элементы. Выше мы говорили о неуправляемых элементах. К управляемым элементам относят элементы с тремя и более выводами, у которых, изменяя ток или напряжение на одном выводе, можно менять ВАХ относительно других выводов.

Параметры нелинейных элементов и некоторые схемы их замещения

В зависимости от конкретной задачи удобно применять те или иные параметры элементов и общее число их велико, но чаще всего используют статические и дифференциальные параметры. Для резистивного двухполюсного элемента это будут статическое и дифференциальное сопротивления.

В заданной точке ВАХ

В заданной рабочей точке ВАХ

1. Дают небольшое приращение напряжения. Находят по ВАХ, вызванное этим приращением, приращение тока и берут их отношение. Недостатком этого способа является то, что для повышения точности расчета нужно уменьшать U и I, но при этом трудно работать с графиком.

2. К заданной точке кривой проводят касательную и тогда по геометрическому определению производной, получают

Где приращения берут на этой касательной и могут быть сколь угодно большими.

Если известен режим работы нелинейного элемента, то в этой точке известно его статическое сопротивление, а также напряжение и ток, поэтому его можно заменить одним из 3-х способов.

Если известно, что во время работы цепи ток и напряжение меняются в пределах «более-менее прямолинейного участка ВАХ», то этот участок описывают линейным уравнением и ставят ему в соответствие такую эквивалентную схему.

Линеаризуют этот участок уравнением вида U=a+ib.Получают для него коэффициенты уравнения.

При i=0 и U=U 0 =а,

усреднённое значение на этом участке.

Тогда, что соответствует следующей схеме замещения:

Эта схема будет справедлива для участка, ограниченного волнистой линией.

То же самое выражение можно записать по-другому:

Поэтому в некоторых задачах, где заранее известно, что токи и напряжения нелинейного элемента представляют в виде суммы постоянной составляющей Uрт, Iрт и переменной составляющей u ~ , i ~ c амплитудой << чем величина постоянной составляющей, отдельно рассчитывают режим на постоянном токе (напряжении) и отдельно для переменной составляющей. Из записей видно, что двухполюсный элемент для малой переменной составляющей можно заменить просто дифференциальным сопротивлением в рабочей точке.

Этот же подход применяют и в схемах с многополюсными элементами, но там не удаётся ввести только одно сопротивление, т. к. Ч. П. характеризуются четырьмя коэффициентами уравнений. Но можно найти эти коэффициенты для малых переменных составляющих токов и напряжений.

Пример: Биполярный транзистор (схема с общим эмиттером).

Пусть известно, что u j =U p ф+u kj , i j =I p ф+i kj

Схема замещения:

Применим дифференцирующие параметры и получим в форме «И».

u бк =h 21 i б +h 12 u кэ

i кэ =h 21 i б +h 22 u кэ

U бэ =H 11 I б +H 21 U кэ

Эти уравнения пишут для переменных составляющих, потому что изменяется процедура расчета элементов.

H 11 =U бэ /I б при I б =0, т.е. i б =I бр.т.

H 12 =U бэ /U кэ при I б =0

H 21 =I к /I б при U кэ =0

H 22 =I к /U кэ при I б =0, т.е. i б =I бр.т.

h 12 =ДU бэ /ДU кэ h 21 =Дi к /Дi б h 22 =Дi к /Дu кэ,

где I, U есть приращения токов и напряжений в окрестности рабочей точки.

Вольтамперные характеристики данного нелинейного элемента.

Методы расчёта нелинейных цепей постоянного тока

Различают: численные, аналитические и графические методы.

1) Численные - это методы численного решения нелинейных уравнений. Обычно используют ЭВМ. Они позволяют решить широкий круг задач, но ответ получается в виде числа.

2) Аналитические - это методы, в основе которых лежит аппроксимация ВАХ какой-нибудь подходящей функции. Если эта функция нелинейная, то получается нелинейная система уравнений. Чтобы она могла быть решена, приходиться очень аккуратно выбирать аппроксимирующую функцию.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МАГНИТОГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ им. Г.И. НОСОВА»

КАФЕДРА ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

О.И. Петухова, Л.В. Яббарова, Ю.И. Мамлеева

МЕТОДЫ АНАЛИЗА НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЕЙ

1.1. Нелинейные элементы и их характеристики 3

1.2.3. Расчет цепей при смешанном соединении элементов 7

1.2.4. Преобразование активных нелинейных двухполюсников 8

1.2.5. Анализ разветвленных цепей 10

1.3. Аппроксимация характеристик нелинейных элементов 12

1.3.1. Выбор аппроксимирующей функции 12

1.3.3. Аппроксимация ВАХ в окрестностях рабочей точки 18

2. МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ 19

2.1. Основные понятия 19

2.2. Законы Ома и Кирхгофа для магнитных цепей 21

2.3. Расчет магнитных цепей постоянного тока 23

3.1. Особенности периодических процессов в электрических цепях с инерционными нелинейными элементами 27

3.2. Особенности периодических процессов в цепях с безинерционными нелинейными сопротивлениями 30

3.3. Электромагнитные процессы в катушке с ферромагнитным сердечником 31

1. НЕЛИНЕЙНЫЕ ЦЕПИ

1.1. Нелинейные элементы и их характеристики

Характеристики большинства реальных элементов в той или иной степени нелинейны. В одних случаях нелинейность элементов невелика и при построении упрощенной модели ею можно пренебречь, в других – нелинейностью пренебречь нельзя. Более того, функционирование большинства радиоэлектронных устройств, невозможно без нелинейных элементов (выпрямление, умножение, ограничение, генерирование и т.д.).

Реальные нелинейные элементы подразделяются на безинерционныеи инерционные. Если зависимость между мгновенными значениями тока и напряжения элементов при периодическом воздействии определяется статической вольт - амперной характеристикой (ВАХ), то элемент относится к безинерционнымнелинейным элементам. Если статическая ВАХ и динамическая, снятая при частоте, равной или меньшей рабочей, не совпадают, то такой элемент следует рассматривать какинерционный.

Таким образом, инерционный нелинейный элемент является линейным относительно мгновенных значений тока и напряжения, а ВАХ, связывающая действующие значения оказывается нелинейной. Безинерционные элементы являются нелинейными как в отношении мгновенных значений
,
, так и в отношении действующихи.

В зависимости от числа внешних выводов различают нелинейные элементы двухполюсные (диоды, термисторы) имногополюсные (транзисторы, триоды, пентоды). Вольт - амперная характеристика нелинейного двухполюсного элемента может быть симметричной или несимметричной. ВАХ двухполюсника с симметричной характеристикой представлена на рис.1. Для нее выполняется условие:

,
. (1)

Очевидно, что режим работы нелинейной цепи не изменится, если выводы нелинейного элемента с симметричной характеристикой поменять местами. Если условие (1) не выполняется, ВАХ – несимметрична.

Отношение напряжения, измеряемого отрезком АВ к току, измеряемому отрезком ОВ (см.рис.1.), определяет в некотором масштабе
статическое сопротивлениеR в точке А.

(2)

Предел отношения приращения напряжения на участке цепи к приращению тока в нем или производная от напряжения по току в том же масштабе
, определяет дифференциальное сопротивление:

. (3)

Различают нелинейные элементы с монотоннойи немонотоннойВАХ. Для монотонныхВАХ иливсегда больше нуля.

Немонотонные характеристики разделяются на N-и S-типы. У элементов с N-образной характеристикой (рис. 2.а) одному и тому же значению тока может соответствовать несколько различных напряжений. У S-образнойВАХ одному значению напряжения может соответствовать несколько токов (рис. 2.б).

Рис.2. ВАХ различных нелинейных элементов

а) немонотонная N -типа; б) немонотонная S – типа;

в) ВАХ неэлектрически управляемого двухполюсника - термистора.

Вид ВАХ нелинейного элемента может зависеть от некоторой величины, не связанной с токами и напряжениями цепи, в которую включен элемент, в частности от температуры (рис. 2.в), освещенности, давления и т.д. Такие элементы относятся кнеэлектрически управляемым двухполюсникам.

Рис.3. Электрически управляемый элемент

а) транзистор; б) семейство входных ВАХ;

в) семейство выходных ВАХ.

Важнейший класс нелинейных элементов составляют электрическиуправляемые элементы(транзисторы, тиристоры, и т.д.). Они имеют два основных электрода и один управляющий (рис.3.а). Ток элемента определяется уравнениями:

или
. (4)

Выводы нелинейного управляемого трёхполюсника образуют с остальной частью цепи два контура – основной (выходной) и управляющий (входной).

Управляемые элементы характеризуются семействами ВАХ: выходными и входными. (рис.3.б,с)

Вид ВАХ нелинейного управляемого элемента существенно зависит от схемы включения элемента, т.е. от того какой из электродов является общим для основного и управляющего контуров. На принципиальных электрических схемах реальные нелинейные элементы изображаются с помощью установленных ЕСКД условных графических обозначений (рис.4).

Рис.4 Обозначения нелинейных элементов

Нелинейными элементами, как уже указывалось, являются все полупроводниковые и электронные приборы, работающие с достаточно большими входными сигналами. На низких частотах эквивалентные схемы этих приборов можно представить в виде резистивных нелинейных элементов, особенности которых определяются вольт-амперными характеристиками, т. е. зависимостями токов от приложенных напряжений Мгновенное значение тока, протекающего через резистивный элемент, определяется по вольт-амперной характеристике напряжением в этот же момент времени. Поэтому резистивные нелинейные элементы называют также безынерционными нелинейными элементами.

На достаточно высоких частотах характеристики нелинейных элементов оказываются зависящими от частоты. Эта зависимость обусловлена:

соизмеримостью времени, затрачиваемого на движение носителей через прибор и процессы рекомбинации, с периодом воздействующих и а него колебаний. Если длительность этих процессов составляет заметную часть периода колебаний, выходной ток прибора отстает по фазе от входного сигнала, т. е. прибор становится инерционным. Инерционность прибора нередко учитывают

введением дополнительных частотно-зависимых реактивностей в эквивалентную схему.

Статические характеристики электронного прибора (они снимаются на постоянном токе) достаточно полно характеризуют прибор только в пределах тех частот, где его можно считать резистивным, т. е. безынерционным. На рис. 2.1 приведены вольт-амперные характеристики типовых нелинейных резисторов и их условные обозначения: полупроводникового (а) и туннельного (б) диодов, биполярного и полевого транзисторов, динистора Характеристики электронных ламп (диодов, триодов, тетродов, пентодов) сходны с приведенными на рис.

Характеристики бывают однозначные и многозначные. В однозначных каждому значению аргумента соответствует единственное значение функции при заданных величинах параметров (рис. 2.1 а, в-д). У вторых некоторым значениям одной величины соответствует несколько значений другой (рис. 2.16, е). Отметим, что гистерезисные характеристики являются многозначными.

Нелинейные элементы подразделяют на управляемые и неуправляемые. К первым относятся многоэлектродные приборы, имеющие раздельные вход и выход (транзисторы, сеточные электронные или ионные приборы), поскольку в них можно управлять выходной характеристикой изменением входного воздействия. Неуправляемыми являются двухэлектродные приборы (диоды).

Если известна некоторая (прямая) зависимость то зависимость называют обратной. Так, прямой характеристике соответствует обратная

Приборы, имеющие падающие участки на вольт-амперных характеристиках, где производные или называют приборами с отрицательным сопротивлением. В зависимости от того, какую букву напоминает форма характеристики прибора, различают два типа отрицательных сопротивлений: сопротивления -типа, вид вольт-амперной характеристики которых сходен с приведенной на рис. 2.16; они же называются отрицательными сопротивлениями, управляемыми напряжением, поскольку именно напряжение однозначно определяет режим их работы; сопротивления S-типа, вольт-амперные характеристики которых соответствуют рис. 2.1е; они же называются отрицательными сопротивлениями, управляемыми током, так как их режим однозначно определяется протекающим через прибор током. Если на рис. поменять местами координатные оси, то характеристика этого прибора примет -образный вид. Дифференциальные сопротивления элементов обоих типов являются отрицательными на участках и положительными за их пределами. Приборами -типа являются туннельные диоды, диоды Ганна, лампы при наличии в них динатронного эффекта; приборами -типа - некоторые ионные (газотроны, неоновые лампы) и полупроводниковые (динистры, тиристоры, лавинно-пролетные диоды) приборы.

Для расчета схем с нелинейными элементами применяются графические, аналитические и машинные методы. Достоинством графических методов является возможность наглядного определения токов и напряжений в схеме при заданных ее параметрах. Однако графическое решение не позволяет установить аналитические зависимости между изменением параметров устройства и величинами его токов и напряжений, определить оптимальные значения параметров и т. п. Аналитические методы обеспечивают установление таких зависимостей, и в этом их главное достоинство. При анализе сложных схем особенно с высокой точностью аналитические решения оказываются или очень громоздкими, или практически невозможными. Тогда применяют машинные методы исследования.

Определим графически (рис. 2.2) ток, протекающий через резистивный нелинейный элемент, под действием напряжения

Используемый для этого метод проекций состоит в следующем: на графике замечаем величины и в различные моменты затем по вольт-амперной характеристике находим соответствующие значения тока и откладываем их плоскости

Огибающая последних дает зависимость Построение удобно начинать с определения тока в моменты, соответствующие максимальному, минимальному и среднему значениям напряжения и лишь затем находить промежуточные значения тока. При воздействии гармонического сигнала (2.1) ток оказывается периодической функцией той же частоты но иной формы.