По формуле (1.47) и закону Ома получим

1.9. Нелинейные электрические цепи постоянного тока.

1.9.1.Нелинейные элементы электрических цепей, их вольтамперные характеристики и сопротивления.

Нелинейным элементом электрической цепи считается элемент, значения параметров которого зависят от значения тока данного элемента или напряжения на его выводах.

К нелинейным элементам электрических цепей относятся разнообразные полупроводниковые приборы, устройства, содержащие намагничивающие обмотки с ферромагнитными магнитопроводами (при переменном токе), лампы накаливания, электрическая дуга и др.

Нелинейные элементы дают возможность решать многие технические задачи, так, с помощью нелинейных элементов можно осуществить преобразование переменного тока в постоянный, усиление электрических сигналов, генерирование электрических сигналов различной формы, стабилизацию тока и напряжения, изменение формы сигнала и т.д. Нелинейные элементы широко используются в радиотехнических устройствах, в устройствах промышленной электроники, автоматики, измерительной и вычислительной техники.

Важнейшей характеристикой нелинейных элементов является вольт-амперная характеристика (в.а.х.), представляющая собой зависимость между током нелинейного элемента и напряжением на его выводах.

ВАХ нелинейных элементов весьма разнообразны и для некоторых из них представлены на рис. 1.29.а...д.

Там же приведены условные графические обозначения соответствующих элементов. Условное обозначение любого нелинейного резистивного элемента показано на рисунке 1.30.а. Имея в.а.х. нелинейного элемента, можно определить его сопротивления при любых значениях тока или напряжения. Различают два вида сопротивлений нелинейных элементов: статическое и дифференциальное.

Статическое сопротивление дает представление о соотношении конечных значений напряжения и тока нелинейного элемента и определяется в соответствии с законом Ома. Например, для точки А в.а.х. (рис. 1.29.а) статическое сопротивление

(1.48)

где mu и mi -масштабные коэффициенты напряжения и тока.

Дифференциальное сопротивление позволяет судить о соотношении приращений напряжения и тока и определяется следующим образом:

(1.49)

К нелинейным электрическим цепям то есть к цепям, содержащим нелинейные элементы , применимы основные законы электрических цепей: законы Ома и законы Кирхгофа , которые записываются для мгновенных значений токов и напряжений. Для расчета нелинейных электрических цепей применяется в большинстве случаев графоаналитический метод. Кроме того используется метод кусочно - линейной аппроксимации, когда в предлагаемом диапазоне изменения тока или напряжения нелинейного элемента его в.а.х. можно заменить прямой линией. При этом расчет можно производить и аналитическим методом. Следует отметить, что к той части электрической цепи, которая содержит только линейные элементы, применимы все методы расчета и преобразования электрических цепей, рассмотренные ранее.

1.9.2. Графоаналитический метод расчета нелинейных электрических цепей.

Предположим, что имеется электрическая цепь, схема которой приведена на рис.1.30,а. В этой цепи нелинейный резистивный элемент r соединен с активным линейным двухполюсником A, который может быть любой сложности.

Расчет данной электрической цепи следует начать с замены активного двухполюсника эквивалентным генератором с параметрами Eэкв = Ux и r_0экв (рис.1.30,б) согласно методу эквивалентного генератора. Для дальнейшего расчета целесообразно воспользоваться методом графического решения двух уравнений с двумя неизвестными. Одним из уравнений следует считать зависимость I(U) нелинейного элемента, которой соответствует его в.а.х., приведенная на рис. 1.30в. Другое уравнение, связывающее тот же ток I и то же напряжение U, нетрудно получить по второму закону Кирхгофа. Применив его к цепи с эквивалентным генератором (рис. 1.30б), получим:

Поскольку зависимость I = f(U) линейная, график I = f (U) может быть построен по двум точкам (рис. 1.30,в). Например, в режиме холостого хода эквивалентного генератора I = 0 и U = Ux = Eэкв, в режиме короткого замыкания U = 0, I = I_k = E_экв/r_0экв.

Очевидно, искомые ток I и напряжение U определяются точкой Б пересечения в.а.х. I(U) нелинейного элемента и графика I = f(U) эквивалентного генератора.

Если к двухполюснику будут подключены два нелинейных элемента r₁ и r₂, соединенные последовательно (рис.1.31а), то перед расчетом согласно методике, изложенной выше, необходимо заменить их эквивалентным нелинейным элементом r_э (рис.1.31б) с эквивалентной в.а.х. I(U) (рис. 1.31в). Построение эквивалентной в.а.х. I(U) производится на основании следующего соображения: при любом значении тока I напряжение U равно сумме напряжений U₁ и U₂ нелинейных элементов (рис. 1.31а), то есть

(1.50)

Задавшись несколькими значениями тока I по в.а.х. I(U₁) и I(U₂) нелинейных элементов r₁ и r₂, находят соответствующие напряжения U₁ и U₂ , после чего согласно выражению (1.50) определяют напряжение U и строят в.а.х. I(U). На рис. 1.31,в показано в качестве примера определение при токе I напряжение U одной из точек (А) в.а.х. I(U).

Когда двухполюсник представляет собой источник с заданным напряжением, после построения I(U) можно при любом напряжении U найти ток I, а затем с помощью в.а.х. I(U₁) и I(U₂) напряжения U₁и U₂.

При параллельном соединении двух нелинейных элементов (рис. 1.32) для определения в.а.х. I(U) эквивалентного нелинейного элемента r_э (рис. 1.33) необходимо воспользоваться тем, что при любом напряжении U токи связаны соотношением:

(1.51)

Задавшись несколькими значениями напряжения U , по в.а.х. I₁(U) и I₂(U) (рис. 1.31 б) нелинейных элементов r₁ и r₂ находят соответствующие токи I₁ и I₂, после чего согласно (1.51) определяют ток I и строят в.а.х. I(U).

При смешанном соединении нелинейных элементов следует сначала построить в.а.х. участка с параллельным соединением элементов. После этого строят в.а.х. всей цепи. Имея в распоряжении все в.а.х., нетрудно определить токи и напряжения всех элементов цепи.

1.10. Мостовые электрические цепи.

Широкое распространение в технике получили мостовые цепи. Один из вариантов такой цепи приведен на рис. 1.34. Выводы а и d резисторов r₁...r₄ присоединены к источнику постоянного тока, к точкам b и c с помощью подвижных контактов (движков) присоединен приемник r₅. Ветви с сопротивлениями r₁...r₄ называют плечами моста , ветви с источником и нагрузкой – диагоналями. Изменяя с помощью движков места подключения b и с приемника, можно изменять не только значения напряжения U₅ и тока I₅ приемника в широких пределах, но также и их направления. Действительно, переместив верхний движок к выводу а, нижний - к выводу d, согласно второму закону Кирхгофа и закону Ома получим U₅ = U и I₅ = U/r₅; изменив положение движков на противоположное, будем иметь U₅= -U, I₅ = - U/r₅. Нулевые значения напряжения U₅ и тока I₅ или равновесное состояние моста, может быть при таких положениях движков, при которых выполняется следующее соотношение между сопротивлениями:

(1.51)

Равновесное состояние моста используется для измерения сопротивлений.Если, например, в электрической цепи рис. 1.34. r₁ - элемент, сопротивление которого требуется определить, r₂ = const, то, включив вместо приемника r₅ измерительный прибор, например вольтметр, и изменяя значения сопротивлений r₃ и r₄, можно добиться равновесного состояния моста, а затем по (1.51) подсчитать сопротивление r₁.

Если r₁ - элемент, сопротивление которого изменяется под действием тех или иных параметров (температуры, давления и др.), то при неизменных r₂, r₃ и r₄ напряжение U₅ будет также изменяться. В этом случае измерительный прибор может быть отградуирован на значения параметра, оказывающего воздействие на сопротивление r₁ и, таким образом, оказывается возможным измерять неэлектрические величины.

Для расчета мостовых цепей можно использовать преобразование треугольника резистивных элементов в эквивалентную звезду и наоборот, либо воспользоваться методом эквивалентного генератора, особенно если в цепи имеется нелинейный резистивный элемент. (см. пример 1.4).

Глава 2.

Электрические цепи однофазного синусоидального тока.

2.1. Синусоидальный ток и основные характеризующие его величины.

Синусоидальным током называют ток, изменяющийся во времени по синусоидальному закону (рис. 2.1):

Ток i(t) называют мгновенным. Максимальное значение тока называют амплитудой и обозначают . Период Т – это время, за которое совершается одно полное колебание. Частота равна числу колебаний в секунду , единица частоты - герц (Гц).