Материал: Лабораторная №17

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИСТЕТ»

Инженерной школы энергетики

Отделение электроэнергетики и электротехники

Лабораторная работа №17

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Вариант 8

Томск 2020

Цель работы: Экспериментальное исследование свойств некоторых нелинейных элементов, использование этих свойств для стабилизации напряжения, освоение и проверка графического метода построения эквивалентной вольтамперной характеристики последовательно-параллельного соединения элементов.

Исходные данные:

Таблица 1

Подготовка к работе

1. Нелинейным элементом называют элемент, параметры которого зависят от протекающего через него тока или от приложенного к нему напряжения.

Статическое сопротивление нелинейного элемента определяют, как отношение напряжения к току в рабочей точке . Это сопротивление пропорционально тангенсу угла β между осью тока и линией, проведенной через начало координат и рабочую точку А.

Под дифференциальным сопротивлением понимается отношение бесконечно малого приращения напряжения к соответствующему приращению тока

2. Электрическое состояние нелинейных цепей описывается на основании законов Кирхгофа, которые имеют общий характер.

Для цепей, содержащих два узла или сводящихся к таковым, можно применять метод двух узлов.

Если в сложной электрической цепи имеется одна ветвь с нелинейным резистором, то определение тока в ней можно проводить на основе теоремы об активном двухполюснике (методом эквивалентного генератора).

3. При последовательном соединении нелинейных резисторов в качестве общего аргумента принимается ток, протекающий через последовательно соединенные элементы. Расчет проводится в следующей последовательности. По заданным ВАХ отдельных резисторов в системе декартовых координат строится результирующая зависимость . Затем на оси напряжений откладывается точка, соответствующая в выбранном масштабе заданной величине напряжения на входе цепи, из которой восстанавливается перпендикуляр до пересечения с зависимостью . Из точки пересечения перпендикуляра с кривой опускается ортогональ на ось токов – полученная точка соответствует искомому току в цепи, по найденному значению которого с использованием зависимостей определяются напряжения на отдельных резистивных элементах.

Используется графический метод – метод пересечений.

4. При параллельном соединении нелинейных резисторов в качестве общего аргумента принимается напряжение, приложенное к параллельно соединенным элементам. Расчет проводится в следующей последовательности. По заданным ВАХ отдельных резисторов в системе декартовых координат строится результирующая зависимость . Затем на оси токов откладывается точка, соответствующая в выбранном масштабе заданной величине тока источника на входе цепи (при наличии на входе цепи источника напряжения задача решается сразу путем восстановления перпендикуляра из точки, соответствующей заданному напряжению источника, до пересечения с ВАХ ), из которой восстанавливается перпендикуляр до пересечения с зависимостью . Из точки пересечения перпендикуляра с кривой опускается ортогональ на ось напряжений – полученная точка соответствует напряжению на нелинейных резисторах, по найденному значению которого с использованием зависимостей определяются токи в ветвях с отдельными резистивными элементами.

5. При параметрическом способе стабилизации используют некоторые приборы с нелинейной ВАХ, имеющей пологий участок, где напряжение мало зависит от дестабилизирующих факторов.

В параметрических стабилизаторах тока нелинейный элемент вклю­чают последовательно с нагрузочным устройством. Рассмотрим ВАХ применяемого в качестве нелинейного элемента прибора. Как видно, при изменении напряжения от U_BX до U'_BX напряжение на нелинейном элементе изменяется от U_нэ до значения U'_нэ, а нагру­зочный ток I_н, являющийся также током через нелинейный элемент, практически не изменяется

Нелинейные несимметричные элементы, как правило, в цепях переменного тока для преобразования переменного тока в ток постоянного направления.

6. У нелинейных элементов с симметричной вольт-амперной характеристикой, или у симметричных, элементов, перемена направления напряжения не вызывает изменения значения тока. Поэтому нелинейные симметричные элементы применяют для стабилизации напряжения.

Схемы электрических цепей

а) б)

Рисунок 1

в)

Рисунок 1

Программа работы

1. Открыть файл LW16 и в качестве нелинейного резистивного элемента (nelin) извлечь из поля вспомогательных компонентов Favorites (в верхнем левом углу экрана в начале второй строки меню) подсхему (Subcircuit) из набора АD1  АD10 (номер варианта указывает преподаватель).

2. Экспериментальное определение ВАХ нелинейного резистивного элемента по схеме рис.16.1, а и транзистора по схеме рис. 16.1, б (810 точек во всем диапазоне изменения входного напряжения U₁). Показания приборов внести в табл. 16.2.

3. Экспериментальное определение ВАХ цепи со смешанным соединением элементов по схеме рис. 16.1, в. Показания приборов также внести в табл. 16.2.

4. Построить ВАХ каждого из нелинейных элементов по данным п.2,3 в общих осях.

5. Построить в тех же осях эквивалентную ВАХ смешанного соединения нелинейных элементов путем графического сложения характеристик отдельных элементов в соответствии со схемой их соединения (рис. 16.1, в).

6. Построить на том же графике ВАХ смешанного соединения элементов по данным п. 3. Сравнить с характеристикой п. 5.

7. Определить по ВАХ нелинейного резистивного элемента п. 2,3 значения статического R_СТ и дифференциального R_Д сопротивлений при напряжении U_1Р.

8. Сделать выводы по работе.

Выполнение лабораторной

Таблица 2

Для построения вольтамперных характеристик введём масштабы:

Масштабы для первых двух столбцов таблицы 2 - , .

Для всех остальных столбцов масштаб , .

Строим в общих осях ВАХ каждого нелинейного элемента по данным, полученным из опыта (рис. 2).

Определяем R_СТ и R_Д по ВАХ нелинейного элемента:

Рисунок 2 – Вольтамперные характеристики НЭ

Выводы:

Экспериментально исследовали свойства некоторых нелинейных элементов, использовали этих свойства для стабилизации напряжения, графическим методом построили эквивалентную вольтамперную характеристику последовательно-параллельного соединения элементов. Для построения эквивалентной ВАХ суммарная ВАХ нелинейного элемента и транзистора должна выходить из начала координат, так как амперметр в схеме с транзистором показывает не 0, нет возможности получить эквивалентную ВАХ должным образом.