Размещено на http://allbest.ru

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

2) Составить краткую характеристику каждого из элементов

3) 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:

1) резистивные

2) индуктивные

3) 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:

1) изготовлением сердечника из тонких изолированных друг от друга листов

2) добавлением в ферромагнитный материал примесей, увеличивающих его удельное сопротивление

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.

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:

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

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

3) 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.;

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

5) 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)

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

7) 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;

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

9) 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;

10) 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.

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

12) 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.



Рисунок 16. Диодный ограничитель напряжения

2.4 Двусторонний ограничитель

Еще один ограничитель показан на рисунке 17. Эта схема ограничивает «размах» выходного сигнала и делает его равным падению напряжения на диоде, т.е. приблизительно 0,6 В. Может показаться, что это очень малое значение, но если следующим каскадом схемы является усилитель с большим коэффициентом усиления по напряжению, то входной сигнал для него всегда должен быть немногим больше чем 0 В, иначе усилитель попадет в режим «насыщения» (например, если коэффициент усиления каскада равен 1000, а питающее напряжение составляет ±15 В, то входной сигнал не должен превышать диапазон ±15 мВ). Описанная схема часто используется в качестве защиты на входе усилителя с большим коэффициентом усиления.

Рисунок 17. Двухсторонний диодный ограничитель

Заключение

В курсовой работе были рассмотрены основные нелинейные элементы и устройства, основанные на этих элементах. Их классификация и краткая характеристика нелинейных элементов. Приведены практические примеры использования НЭ на примере диодов.

Литература

1. Бычков Ю.А., Золотницкий В.М., Чернышев Э.П. и др. Сборник задач и практикум по основам теории электрических цепей. Учебное пособие/ 2-е изд. -- СПб.; Питер, 2007. -- 300 с.: ил.

2. Данилов Л. В. и др. Теория нелинейных электрических цепей. Л.: Энергоатомиздат, 1990. - 256с.:ил.

3. Иванов И. И., Соловьев Г. И. Электротехника и основы электроники:. Я. Учебник. 7-е изд., перераб. и доп. -- СПб.: Издательство «Лань», 2012. -- 736 с.

4. Ионкин П.А. Теоретические основы электротехники. Основы теории цепей. Часть 1. М.: Высшая школа, 1965. - 735 с.

5. Купцов А.М. Основы теории цепей. Часть 2. Переходные процессы. Цепи с распределенными параметрами. Нелинейные цепиУчебное пособие. Томск: Изд. ТПУ, 2000. - 158 с.

Размещено на Allbest.ru