Материал: Характеристика нелинейных элементов электрических цепей

Если же сердечник изготовлен из тонких листов высококачественного магнитомягкого материала, то потери в сердечнике малы, а сопротивление очень велико и потому ветвь с сопротивлением можно не учитывать. Часто вводят еще одно упрощение: полагают резистивное сопротивление обмотки настолько малым, что с падением напряжения в нем можно не считаться.

Переход от схемы замещения на рисунке 6, а, а к схеме замещения на рис. 6, б, вызван стремлением облегчить расчет цепей. При этом учитывают основной полезный нелинейный эффект (нелинейность между индукцией и напряженностью и пренебрегают побочным вредным эффектом (потерями, обусловленными гистерезисом и вихревыми токами в сердечнике).

1.3    Общая характеристика нелинейных емкостных элементов

Рисунок 7. Зависимость

В обычных конденсаторах обкладки разделены веществом, диэлектрическая проницаемость которого не является функцией пряженности электрического поля. Для них зависимость мгновенного значения заряда  на одной обкладке от мгновенного значения напряжения и между обкладками (кулон-вольтная характеристика) представляет собой прямую линию (рисунок 7), а их емкость не зависит от напряжения . Для нелинейных конденсаторов зависимость  от и нелинейна (рисунок 8).

Рисунок 8. Зависимость  для нелинейного элемента

Нелинейные конденсаторы называют еще варикондами. На электрических схемах вариконды изображают в соответствии с рисунком 9, а

Рисунок 9. Обозначение вариконда

Пространство между обкладками вариконда заполняют сегнетодиэлектриком. Сегнетодиэлектриками называют вещества, диэлектрическая проницаемость которых является функг 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 D от изменения напряженности поля Е.

Как и в ферромагнитных веществах, площадь гистерезисной петли в координатах D, 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 потери в котором имитируют в расчетном отношении активные потери в вариконде (рисунок 9, б).

Наличие потерь в варикондах является вредным побочным эффектом. Чем выше качество сегнетодиэлектрика, тем уже петля гистереза и меньше потери в нем. Для облегчения исследования свойств электрических цепей, содержащих вариконды, гистерезисом и потерями обычно пренебрегают и зависимость принимают в виде пунктирной кривой на рисунке 8. Абсциссы ее равны полусумме абсцисс восходящей и нисходящей ветвей предельной гистерезисной петли. Однако при исследовании схем, в основе действия которых лежит явление гистерезиса, например при анализе работы некоторых запоминающих и счетных устройств, гистерезис необходимо учитывать.

Устройства, основанные на нелинейных емкостных элементах представлены на рисунке 10

Рисунок 10. Устройства на нелинейных емкостных элементах

Рисунок 11. КВХ нелинейных емкостных элементов

Каждая точка кулонвольной характеристики (КВХ) может быть определена статистической и дифференциальной емкостью

Нелинейный емкостной элемент характеризуется зависимостью заряда от напряжения .

1.4    Основные преобразования, осуществляемые с помощью нелинейных электрических цепей

На рисунке 12а, схематически изображен четырехполюсник, в состав которого входят одно или несколько нелинейных элементов. такой четырехполюсник называют нелинейным (НЧ).

На рисунке 12б, представлен нелинейный шестиполюсник (НШ). В отличие от четырехполюсника он имеет еще два зажима («полюса»), к которым присоединяется источник управляющего напряжения или тока.

Рисунок 12. НЧ (а) и НШ(б)

С помощью нелинейных четырех- и шестиполюсников можно осуществить ряд практически важных преобразований:

)        преобразовать переменный ток в постоянный. Устройства, предназначенные для этого, называют выпрямителями

)        преобразовать постоянный ток в переменный с помощью устройств, которые называют автогенераторами и инверторами;

)        осуществить умножение частоты, т. е. получить на выходе четырехполюсника напряжение, частота которого в несколько раз больше частоты входного напряжения. Четырехполюсники, с помощью которых производят умножение частоты, называют умножителями частоты, устройство, удваивающее частоту, - удвоителем частоты; устройство, утраивающее частоту, - утроителем и т. д.;

)        произвести деление частоты, т. е. выполнить операцию, обратную умножению частоты. Четырехполюсники, используемые для этого, называют делителями частоты

)        стабилизировать напряжение (ток), т. е. получить на выходе четырехполюсника напряжение (ток), почти не изменяющееся по модулю при значительном изменении входного напряжения. Такие четырехполюсники называют стабилизаторами напряжения (тока)

)        осуществить триггерный эффект, т. е. эффект резкого (скачкообразного) изменения выходной величины при незначительном изменении входной.

)        произвести модуляцию. Модуляция - это процесс, при котором амплитуда (фаза или частота) высокочастотного колебания, поступающего на вход четырехполюсника, преобразуется таким образом, что характер изменения ее повторяет характер изменения управляющего низкочастотного сигнала. Устройства, предназначенные для этого, называют модуляторами;

)        осуществить демодуляцию, т. е. выделить из высокочастотного модулированного колебания запечатленный в нем низкочастотный управляющий сигнал. Устройства для демодуляции называют демодуляторами или детекторами;

)        преобразовать желаемым образом форму входного напряжения. Например, при подаче на вход нелинейного четырехполюсника напряжения синусоидальной формы на его выходе можно получить напряжение прямоугольной или пикообразной формы;

)        произвести усиление напряжения (тока), т. е. получить на выходе нелинейного устройства напряжение значительно большее, чем управляющее напряжение на его входе. Управляющее напряжение может быть постоянным или переменным.

)        осуществить усиление мощности, т. е. выделить на выходе устройства (в нагрузке) мощность, значительно большую мощности, поступающей в управляющую цепь.

)        произвести степенное и логарифмическое преобразование входного напряжения (тока).

С помощью трансформаторов также можно усиливать напряжение, однако в усилителях напряжения на нелинейных элементах энергия, потребляемая управляющей цепью, может быть в сотни, тысячи и даже сотни тысяч раз меньше энергии на выходе усилителя, тогда как в обычных трансформаторах эти энергии почти равны.

Усилители напряжения на нелинейных элементах позволяют усиливать не только переменное, но и постоянное напряжение и притом с плавным изменением коэффициента усиления. Когда говорят об усилении мощности, то имеют в виду, что приращение мощности, выделяющейся в нагрузке, оказывается больше приращения мощности, потребовавшейся для изменения режима работы нелинейного элемента.

С помощью нелинейных электрических цепей кроме перечисленных можно осуществить и другие нелинейные преобразования. К их числу относится, например, плавное преобразование частоты с помощью нелинейных четырех- и шестиполюсников, не содержащих подвижных частей.

Нелинейные устройства широко применяют для умножения электрическим путем двух, трех функций и более, а также в электрических счетных и запоминающих устройствах, в качестве нелинейных фильтров, логических устройств и т. п. Несомненно, что по мере развития техники и изучения свойств нелинейных цепей последние будут находить применение для выполнения и других функций.

2.      
Практические примеры использования нелинейных элементов на примере диодов

2.1    Диодный ограничитель

Рисунок 13. Схема

Если сигнал должен иметь только одну полярность. Например, требуется получить последовательность импульсов, совпадающих с моментами нарастания прямоугольного сигнала. Проще всего продифференцировать прямоугольный сигнал, а затем выпрямить его (рисунок 13). Следует всегда иметь в виду, что прямое напряжение диода

составляет приблизительно 0,6 В. На выходе схемы, например, сигнал будет получен лишь в том случае, когда двойная амплитуда прямоугольного входного сигнала будет не меньше 0,6 В. Это условие накладывает определенные ограничения на разработку схемы, но известны приемы, с помощью которых их можно преодолеть. Например, можно воспользоваться диодом Шоттки для которого прямое напряжение составляет около 0,25В (можно также использовать так называемый обращенный диод с нулевым прямым напряжением, но его применение ограничено из-за того, что он имеет малое напряжение пробоя). Можно также воспользоваться схемой, показанной на рисунке 14.

Рисунок 14. Компенсация прямого напряжения на диоде в схеме диодного ограничителя сигналов

Прямое напряжение на диоде Д₂ компенсируется за счет диода Д₁, обеспечивающего смещение величиной 0,6 В. Это смещение определяет порог проводимости для Д₂. Формирование смещения с помощью диода Д₁ (а не с помощью, например, делителя напряжения) имеет следующие преимущества: нет необходимости проводить регулировку уровня смещения, так как схема обеспечивает почти идеальную компенсацию; изменение прямого напряжения диодов (связанное, например, с изменением температуры) компенсируется и не сказывается на работе схемы. В дальнейшем мы еще не раз встретим компенсации изменений прямого напряжения с помощью согласованной пары диодов, транзисторов и полевых транзисторов: этот прием очень эффективен и прост в исполнении.

2.2    Диодные вентили

Еще одна область применения диодов основана на их способности пропускать большее из двух напряжений, не оказывая влияния на меньшее. Схемы, в которых используется это свойство, объединены в семейство логических схем. Рассмотрим схему с резервной батареей питания - она используется в устройствах, которые должны работать непрерывно даже при отключениях питания (например, точные электронные часы). Схема, показанная на рисунке 15, включает как раз такую батарею. В отсутствие сбоев питания батарея не работает, при возникновении сбоя питание на схему начинает поступать от батареи, при этом перерыва в подаче питания не происходит.

Рисунок 15 диодный вентиль ИЛИ с резервной батареей питания

2.3    Диодные ограничители

В тех случаях, когда необходимо ограничить диапазон изменения сигнала, например напряжения, можно воспользоваться схемой, показанной на рисунке 16. Благодаря диоду выходное напряжение не может превышать значения +5,6 В, при этом наличие диода никак не сказывается на меньших значениях напряжения (в том числе и ни отрицательных); единственное условие состоит в том, что отрицательное входное напряжение не должно достигать значения напряжения пробоя (например, для диода типа 1N914 это значение составляет - 70 В). Во всех схемах семейства цифровых логических КМОП - схем используются входные диодные ограничители. Они предохраняют эти чувствительные схемы от разрушения под действием разрядов статического электричества.