Материал: Характеристика нелинейных элементов электрических цепей

Характеристика нелинейных элементов электрических цепей

Введение

диод электрический цепь

Нелинейные элементы достаточно прочно вошли в нашу повседневную жизнь. Зачастую мы сталкиваемся с ними каждый день, это и лампа накаливания, которая есть в каждом доме, и трансформатор, который помогает преобразовать электрическую энергию, чтобы лампочка могла освещать дом, и всем известные диоды. Поэтому важно знать их устройство и принцип работы.

В данной курсовой работе будут рассмотрены основные нелинейные элементы и устройства, основанные на этих элементах.

Цель работы: Изучение нелинейных элементов и их использования в технических устройствах

Задачи:

1)      Рассмотреть классификацию нелинейных элементов

)        Составить краткую характеристику каждого из элементов

)        Привести пример технических устройств с использованием нелинейных элементов

1.Нелинейные элементы, классификация

Нелинейными электрическими цепями переменного тока называют электрические цепи переменного тока, в состав которых входит один или несколько нелинейных элементов.

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

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

Как известно, прохождению переменного тока оказывают сопротивление не только резистивные, но и индуктивные и емкостные элементы. В соответствии с этим нелинейные элементы для переменного тока можно подразделить на три группы:

)        резистивные

)        индуктивные

)        емкостные

Каждую из этих групп можно подразделить на управляемые и неуправляемые.

Управляемые нелинейные элементы обычно имеют один или несколько управляющих электродов (зажимов) или управляющих обмоток, включаемых в управляющую цепь (цепи), воздействуя на ток или напряжение которых можно управлять сопротивлением в главной цепи. При отсутствии специальных управляющих электродов или обмоток управляющий ток или напряжение могут воздействовать на нелинейный элемент через электроды или обмотки главной цепи.

А так же нелинейные элементы делятся на:

·        двухполюсные

·        многополюсные

·        инерционные

·        неинерционные

По характеристикам классифицируются на:

·        симметричные

·        несимметричные

·        статистические

·        динамические

1.1    Общая характеристика нелинейных резисторов

Широкое распространение в качестве управляемых нелинейных резистивных элементов получили трех (и более) электродные лампы, транзисторы и тиристоры.

Неуправляемыми нелинейными резистивными элементами в упомянутом смысле являются электрическая дуга, германиевые и кремниевые диоды, тиритовые сопротивления, терморезисторы, бареттеры, лампы накаливания и др.

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 действующим значением переменного тока. Если к такому резистору подвести синусоидальное напряжение (при условии, что постоянная времени нагрева его значительно больше периода синусоидального напряжения), то ток через него будет практически синусоидальным. Такие резисторы занимают промежуточное положение между линейными и нелинейными.

К нелинейным они тяготеют вследствие того, что сопротивление их является функцией действующего значения тока.

К линейным - потому, что в установившемся режиме работы их сопротивления для различных моментов времени внутри периода воздействующей на схему ЭДС остаются практически неизменными.

Приборы, принцип работы которых основан на нелинейных резисторах приведены на рисунке 1.

Статистическая ВАХ - зависимость, снятая при постоянном или медленно изменяющемся токе. Каждая точка может быть определена статистическим и дифференциальным сопротивлением:

При графическом определении:

Динамическая ВАХ - зависимость, снятая при быстром изменении тока.

Пример вольт-амперной характеристики (ВАХ) на рисунке 2

Рисунок 1. Устройства на нелинейных резисторах

Рисунок 2. ВАХ нелинейных резистивных элементов;  а) термистор, б) варистор, 1 - динамическая, 2 - статистическая

1.2    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.

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.

Рисунок 3. Обозначение нелинейной индуктивной катушки

На электрических схемах нелинейную индуктивную катушку изображают в виде замкнутого сердечника с обмоткой (рисунок 3, а) или как показано на рисунке 3, 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 часовую 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.

При высоких частотах резко возрастают потери в листовых сердечниках, поэтому сердечники, предназначенные для работы на высоких частотах, выполняют обычно из магнитомягкого феррита.

Примеры устройств, принцип работы которых основан на нелинейных индуктивных элементах, представлены на рисунке 4

Вебер амперная характеристика (ВбАХ) представлена на рисунке 5

Нелинейный индуктивный элемент характеризуется зависимостью потокосцепления  от тока

Нелинейность элементов обусловлена нелинейностью намагничевания материала ). Особенностью ферромагнитных материалов сердечника - образование при перемагничивании переменным током петлю гистерезиса (рисунок 5). Каждая точка ВбАХ может быть определена статистической и дифференциальной индуктивностью

При графическом определении:

Рисунок 4. Устройства на нелинейных элементах

Рисунок 5. ВбАХ

1.2.1 Потери в сердечниках нелинейных индуктивных катушек, обусловленные вихревыми токами

Если по индуктивной катушке со стальным сердечником проходит переменный ток, то в сердечнике возникает переменный магнитный поток, под действием которого в листах сердечника образуются вихревые токи. В плоскости листа, перпендикулярной магнитному потоку, по закону электромагнитной индукции наводится ЭДС. Эта ЭДС вызывает в нем ток, который называют вихревым. 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 пропорциональны толщине листа а, амплитудному значению индукции и частоте. В свою очередь, сопротивление контура пропорционально его периметру и удельному сопротивлению. Потери энергии на вихревые токи пропорциональны квадрату амплитудного значения индукции, квадрату частоты и квадрату толщины листа.

Уменьшить потери в листовом сердечнике на вихревые токи можно двумя путями:

)        изготовлением сердечника из тонких изолированных друг от друга листов

При частоте 50 Гц толщина листов обычно 0,35-0,5 мм; при высоких частотах - до 0,005 мм.

Кроме потерь от вихревых токов в сердечнике есть еще потери, обусловленные гистерезисом и магнитной вязкостью.

1.2.2 Потери в ферромагнитном сердечнике, обусловленные гистерезисом

Ферромагнитным материалам свойственно явление гистерезиса, которое вызвано отставанием изменения магнитной индукции от изменения напряженности магнитного поля. Площадь гистерезисной петли в координатах, 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 объему 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 материал а, толщины листов, температуры и наличия в магнитном потоке высших гармоник.

1.2.3 Схема замещения нелинейной индуктивной катушки

В расчетном отношении нелинейную индуктивную катушку можно представить в виде схемы на рисунке 6.

В ней параллельно с идеализированной (без потерь) нелинейной индуктивностью включено сопротивление потери в котором имитируют потери энергии в сердечнике на гистерезис и вихревые токи, а последовательно включено резистивное сопротивление самой обмотки напряжение на нелинейной индуктивности. Потери энергии на гистерезис и вихревые токи зависят от качества ферромагнитного материала и толщины листов сердечника.

Рисунок 6. Схема замещения катушки

Если сердечник выполнен из низкокачественного магнитного материала, то потери в нем относительно велики, а сопротивление достаточно мало и ток может оказаться соизмеримым с током протекающим по идеализированной (без потерь) нелинейной индуктивности; в этом случае ветвь с сопротивлением необходимо учитывать в расчете.