Глава 2лава 1. Нелинейные электрические цепи постоянного тока
2.1. Нелинейные элементы цепи постоянного тока
Электрическая цепь, содержащая хотя бы один нелинейный элемент, называется нелинейной.
Если сопротивление элемента цепи зависит от тока или напряжения, то такой элемент называется нелинейным. Его вольт-амперная характеристика носит нелинейный характер.
По виду вольт-амперной характеристики (ВАХ) различают нелинейные элементы с симметричной и несимметричной характеристиками.
В
нелинейном элементе с симметричной ВАХ
значение тока не зависит от полярности
приложенного напряжения (рис. 2.1, а), а
его сопротивление не зависит от
направления тока в нём. В
нелинейном элементе с несимметричной
ВАХ (рис. 2.1, б.) значение тока зависит от
полярности приложенного напряжения, а
сопротивление элемента зависит от
направления тока в нём.
а) б)
Рис. 2.1
К нелинейным элементам с симметричной ВАХ относятся лампы накаливания, терморезисторы, бареттеры, лампы с тлеющим разрядом, тиритовые и вилитовые элементы и др.
Нелинейность ВАХ ламп накаливания, например, с вольфрамовой нитью накала, обусловлена увеличением сопротивления нити с повышением температуры (с ростом тока) в связи с положительным температурным коэффициентом сопротивления проводниковых материалов. Увеличение сопротивления лампы вызывает замедление роста тока с повышением напряжения (рис. 2.1, а).
Терморезисторы выполняются из полупроводниковых материалов, обладающих отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Поэтому с увеличением тока его сопротивление уменьшается, в результате этого замедляется рост напряжения (рис. 2.2, а).
а) б)
Рис. 2.2
Бареттер представляет собой стеклянный баллон (по внешнему виду напоминает лампу накаливания), заполненный водородом, внутри которого находится стальная нить. Материал нити и условия охлаждения определяют характерный вид ВАХ (рис. 2.2, б), на которой имеется участок АВ с почти неизменным током при изменении напряжения от U1 до U2. На этом участке с увеличением напряжения сопротивление нити увеличивается так, что ток остаётся почти постоянным. Поэтому бареттер используется как стабилизатор тока в цепях с изменяющимся напряжением.
Тиритовые и вилитовые элементы изготовляются из карборунда, обладающего отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, поэтому их ВАХ аналогична ВАХ терморезистора (рис. 2.2, а). Из этой ВАХ видно, что с увеличением напряжения их сопротивление уменьшается. Тиритовые диски применяются в разрядниках, предназначенных для защиты электроустановок от перенапряжения. При возрастании напряжения в два раза сопротивление тиритового элемента уменьшается примерно в десять раз.
У ламп с тлеющим разрядом (неоновых ламп) стеклянный баллон заполнен инертным газом.
а) б)
Рис. 2.3
При увеличении напряжения ток в газе между электродами сначала растёт очень медленно (рис. 2.3, а). Когда напряжение достигает некоторого значения UР, между электродами возникает тлеющий разряд, газ ионизируется, проводимость лампы резко возрастает и ток продолжает увеличиваться даже при уменьшении напряжения. Наличие участка ВС на ВАХ с почти постоянным значением напряжения позволяет использовать лампы с тлеющим разрядом для стабилизации напряжения.
К нелинейным элементам с несимметричной ВАХ относятся полупроводниковые диоды, электронные лампы, электрическая дуга при неоднородных электродах и др.
Полупроводниковые диоды (селеновые, германиевые, кремниевые и др.) обладают односторонней проводимостью. ВАХ полупроводникового диода показана на рис. 2.1, б. Из этой характеристики видно, что сопротивление диода мало при положительном потенциале и велико при отрицательном потенциале.
Полупроводниковые диоды применяются для преобразования переменного тока в постоянный.
Электронная лампа (диод) проводит электрический ток, если к аноду приложен положительный потенциал, а к катоду – отрицательный. При обратной полярности электродов ток через лампу практически не проходит (рис. 2.3, б).