Bessonov2 (1063916), страница 19
Текст из файла (страница 19)
При отсутствии специальных управляющих электродов или обмоток управляющий ток или напряжение могут воздействовать на нелинейный элемент через электроды или обмотки главной цепи. ф 15.2. Общая характеристика нелинейных резисторов. Широкое распространение в качестве управляемых нелинейных резистивных элементов получили трех (и более) электродные лампы, транзисторы и тиристоры. Свойства, принцип работы, характеристики и применение их рассмотрены в ф 15.27 — 15.43.
Неуправляемыми нелинейными резистивными элементами в упомянутом смысле являются электрическая дуга, германиевые и кремниевые диоды,тиритовые сопротивления, терморезисторы, бареттеры, лампы накаливания и др. Их основные свойства и ВАХ рассматривались в гл. 13.
Нелинейные резистивные элементы можно классифицировать также по степени влияния температуры нагрева, обусловленной протекающими по ним токами, на форму ВАХ. Так как тепловые процессы (процессы нагрева и остывания) являются процессами инерционными, то резисторы, нелинейность ВАХ которых в основном обусловлена изменением температуры в результате нагрева протекающим через них током, принято называть инерционными. Резисторы, нелинейность ВАХ которых обусловлена иными (не тепловыми) процессами, принято называть безынерционными или почти безынерционными. К группе инерционных резисторов относят электрические лампы накаливания, терморезисторы, бареттеры; к группе безынерционных или почти безынерционных — электронные лампы, полупроводниковые диоды„транзисторы и др. Если постоянная времени нагрева инерционного резистора много больше периода переменного тока, то значение сопротивления его за период переменного тока практически не меняется, так как оно определяется не мгновенным, а действуюшим значением переменного тока.
Если к такому резистору подвести сннусоидальное напряжение (при условии, что постоянная времени нагрева его значительно больше периода сннусоидального напряжения), то ток через него будет практически сннусо идальным. Можно сказать, что такие резисторы занимают промежуточное положение меж ду линейными и нелинейными. К нелинейным они тяготеют вследствие того, что 450 сопротивление их является функцией действующего значения тока; к лииейиым— потому, что в установившемся режиме работы их сопротивления для различных момеитов времени внутри периода воздействующей иа схему ЭДС остаются практически иеизмениыми. ф 15.3. Общая характеристика нелинейных индуктивных элементов. 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 часовув 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 (см. ф 15.4). При высоких частотах резко возрастают потери в листовых сердечниках, поэтому сердечники, предназначенные для работы на высоких частотах, выполняют обычно из магнитомягкого феррита. с» У~Г~ (» 4 Рис.
15.1 Рис. 15.2 15» ф 15.4. Потери в сердечниках нелинейных индуктивных катушек, обусловленные вихревыми токами. Если по индуктивной катушке со стальным сердечником проходит переменный ток, то в сердечни. ке возникает переменный магнитный поток, под действием которого в листах сердечника образуются вихревые токи. На рис. 15.2 изображен один лист сердечника. Пусть магнитный поток, увеличиваясь, направлен вверх(вдоль листа). В плоскости листа, перпендикулярной магнитному потоку, по закону электромагнитной индукции наводится ЭДС.
Эта ЭДС вызывает в нем ток, который называют вихревым. Контур, по которому замыкается вихревой ток, изображен пунктиром на рис. 15.2. Вихревые токи по закону Ленца стремятся создать поток, встречный по отношению к вызвавшему их потоку. Потери энергии в листе на вихревые токи пропорциональны квадрату наведенной в контурах листа ЭДС и обратно пропорциональны сопротивлению контуров.
ЭДС, наводимые в контурах, по которым замыкаются вихревые токи, при заданной ширине листа Ь, пропорциональны толщине листа а, амплитудному значению ин-, дукции и частоте. В свою очередь, сопротивление контура пропорционально его периметру и удельному сопротивлению. При Ь~~а периметр контура почти не зависит от толщины листа. Поэтому потери энергии на вихревые токи пропорциональны квадрату амплитудного значения индукции, квадрату частоты и квадрату толщиныы л ист а.
Уменьшить потери в листовом сердечнике на вихревые токи можно двумя путями: 1) изготовлением сердечника из тонких изолированных друг от друга листов (см. $ 15.3); 2) добавлением в ферромагнитный материал примесей, увеличивающих его удельное сопротивление. 'а При частоте 50 Гц толщина листов обычно 0,35 — 0,5 мм; прид высоких частотах — до 0,005 мм.
Кроме потерь от вихревых токов в сердечнике есть еще потери, обусловленные гистерезисом и магнитной вязкостью. ф 15.5. Потери в ферромагнитном сердечнике, обусловленные гистерезнсом. Как известно (см. $ 14.4), ферромагнитным материалам свойственно явление гистерезиса, которое вызвано отставанием изменения магнитной индукции от изменения напряженности магнитного поля. Площадь гистерезисной петли в координатах В, Н ( — индукция, Н вЂ” напряженность поля), снятая при достаточно медленном изменении магнитного поля во времени (когда вихревые токи практически отсутствуют), характеризует энергию выделяющуюся в единице объема ферромагнитного материала за один период переменного тока (за одно перемагничивание).
Потери в сердечнике, обусловленные гистерезисом, пропорциональны объ ему сердечника, первой степени частоты и площади гистерезисной петли. От толщины листов потери на гистерезис не зависят'. Гистерезисные петли при достаточно быстром изменении магнитного поля во времени называют динамическими. Динамические петли шире соответствующих статических за счет вихревых токов и магнитной вязкости. Степень отличия динамической петли от соответствующей статической зависит от скорости перемагничивания(от частоты), удельного электрического сопротивления материала, толщины листов, температуры и наличия в магнитном потоке высших гармоник.
ф 15.6. Схема замещения нелинейной индуктивной катушки. В расчетном отношении нелинейную индуктивную катушку (рис. 15.1, а) можно представить в виде схемы на рис. 15.3, а. В ней параллельно с идеализированной (без потерь) нелинейной индуктивностью включено сопротивление Яг„потери в котором имитируют потери энергии в сердечнике на гистерезис и вихревые токи, а последовательно включено резистивное сопротивление самой обмотки Й,в; У вЂ” напряжение на нелинейной индуктивности.
Как уже отмечалось, потери энергии на гистерезис и вихревые токи Й„„зависят от качества ферромагнитного материала и толщины листов сердечника. Если сердечник выполнен из низкокачественного магнитного материала, то потери в нем относительно велики, а сопротивление Й„, достаточно мало и ток 1„, = ~У/тс„может оказаться соизмеримым с током 7„, протекающим по идеализированной (без потерь) нелинейной индуктивности; в этом случае ветвь с сопротивлением Й„, необходимо учитывать в расчете.
Если же сердечник изготовлен из тонких листов высококачественного магнитомягкого материала, то потери в сердечнике малы, а сопротивление Й„„= И/Р„, очень велико и потому ветвь с сопротивлением Я„можно не учитывать. Часто вводят еще одно упрощение: полагают резистивное сопротивление обмотки й„настолько малым, что с падением напряже- %д 1 Рис. 15.4 Рис. 15.3 1 Явление поверхностного эффекта (см.
ч. 111 учебника) здесь не учитываем. 453 ния в нем можно не считаться. Аналогичное упрощение часто дела лось и при расчете цепей с линейными индуктивностями. В этом случае сопротивление катушки со стальным сердечником оказывается чисто индуктивным (соответствующая схема замещения представлена на рис. 15.3, 6). Переход от схемы замещения на рис.
15.3, а к схеме замещения на рис. 15.3, б вызван стремлением облегчить расчет цепей. При этом учитывают основной полезный нелинейный эффект (нелинейность между индукцией В и напряженностью Н) и пренебрегают побочным вредным эффектом (потерями, обусловленными гистерезисом и вихревыми токами в сердечнике). При периодическом процессе нелинейность между В н Н учитывают, ведя расчет по кривой, абсциссы которой равны полусумме абсцисс восходящей и нисходящей ветвей предельной гистерезисной петли (рис. 15.4).
ф 15.7. Общая характеристика нелинейных емкостных элементов. В обычных конденсаторах обкладки разделены веществом, диэлектрическая проницаемость которого не является функцией на-' пряженности электрического поля. Для них зависимость мгновенного значения заряда о на одной обкладке от мгновенного значения напряжения и между обкладками (кулон-вольтная характеристика) представляет собой прямую линию (рис. 15.5), а их емкость не зависит от напряжения и. Для нелинейных конденсаторов зависимость о от и нелинейна (рис. 15.б). Нелинейные конденсаторы называют еще варикондами. На электрических схемах вариконды изображают в соответствии с рис. 15.7, а. Пространство между обкладками вариконда заполняют сегнетодиэлектриком.
Сегнетодиэлектриками называют ве-, щества, диэлектрическая проницаемость которых является функ. цией напряженности электрического поля. Название «сегнетодиэлектрики» им присвоено потому, что впервые это свойство было обнаружено у кристаллов сегнетовой соли. Сегнетодиэлектрики, подобно ферромагнитным веществам, обладают гистерезисом.
Электрическим гистерезисом называют явление отставания изменения электрического смещения В от изменения напряженности поля Е. Как и в ферромагнитных веществах. Рис. 15.6 Рис. 15.7 Рис. 15.5 площадь гистерезисной петли в координатах О, Е при медленном изменении поля характеризует потери на электрический гистерезис в единице объема сегнетодиэлектрика за один период изменения Е. Кроме потерь на гистерезис в варикондах есть еще потери, обусловленные тем, что проводимость сегнетодиэлектрика не равна нулю, а также вязкостью процессов поляризации. На схеме замещения вариконд можно представить в виде параллельного соединения идеализированного (без потерь) вариконда и ветви с резистивным сопротивлением Я„„, потери в котором имитируют в расчетном отношении активные потери в вариконде (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
