17.1. Характеристика нелинейных элементов

Теория  /  17.1. Характеристика нелинейных элементов

Нелинейными электрическими цепями переменного тока называют такие цепи, которые содержат одно или несколько нелинейных элементов.

Мы уже рассматривали нелинейные цепи постоянного тока, содержащие резистивные элементы. В цепях переменного тока сопротивлением обладают также индуктивность и емкость.

Резистивные нелинейные элементы. Про резистивные нелинейные элементы можно сказать все то же, что уже говорилось при изучении нелинейных цепей постоянного тока.

Резистивные нелинейные элементы могут быть управляемыми и неуправляемыми. К неуправляемым относятся лампы накаливания, германиевые и кремниевые диоды, термисторы, бареттеры и т. д. К управляемым нелинейным сопротивлениям относятся трехэлектродные лампы, транзисторы, тиристоры.

На нелинейные сопротивления в цепях переменного тока влияет температура нагрева. Если вольт-амперная характеристика нелинейного сопротивления изменяется при нагревании проходящим через него током, то сопротивление называется инерционным. Если нелинейность вольт-амперной характеристики обусловлена не тепловыми процессами, то нелинейное сопротивление – безынерционное.

Нелинейная индуктивность. Под нелинейной индуктивностью понимают катушку, намотанную на замкнутый ферромагнитный сердечник. Такой сердечник характеризуется тем, что магнитный поток в нем непостоянен и зависит от проходящего по катушке тока. Следовательно, индуктивность катушки будет меняться в зависимости от тока, значит, величина индуктивного сопротивления также будет изменяться в зависимости от величины тока.

Схематическое изображение нелинейной индуктивности (дросселя) показано на рис. 17.1. 

При прохождении тока через катушку индуктивности в сердечнике возникает магнитный поток, который в свою очередь наводит в сердечнике токи, называемые вихревыми токами. Эти токи замыкаются по контурам вдоль периметра сердечника и  направлены противоположно правилу Ленца, то есть создают свой поток, который стремится ослабить вызвавший их поток (рис. 17.2).

Наличие вихревых токов приводит к нагреву сердечника, то есть в сердечнике возникают потери энергии, пропорциональные  ЭДС вихревых токов Е_в и обратно пропорциональные сопротивлению материала сердечника Х_в.

В свою очередь  ЭДС пропорциональна амплитудному значению магнитной индукции B_m, частоте f  и толщине сердечника d:

Сопротивление пропорционально периметру контура и удельному сопротивлению вещества. Таким образом, потери на вихревые токи определятся выражением

Здесь V – объем сердечника.

Для того чтобы уменьшить потери на вихревые токи, сердечник изготовляют из тонких, изолированных друг от друга листов, либо соединяя один с другим, либо закручивая в спираль. Так же добавляют в ферромагнетик примеси, увеличивающие его удельное сопротивление, например, кремний.

Кроме потерь на вихревые токи, необходимо учитывать еще потери на гистерезис или перемагничивание. Потери на гистерезис пропорциональны объему сердечника, площади гистерезисной петли и частоте:

Нелинейная емкость. Если расстояние между обкладками конденсатора заполнено веществом, диэлектрическая проницаемость которого не зависит от напряженности электрического поля, то кулон-вольтовая характеристика такого конденсатора будет представлять собой прямую линию и конденсатор будет линейным.

Если расстояние между обкладками конденсатора заполнено веществом, диэлектрическая проницаемость которого зависит от напряженности электрического поля, так называемым сегнетоэлектриком, то кулон-вольтовая характеристика такого конденсатора будет нелинейной. Схематическое обозначение нелинейного конденсатора показано на рис. 17.3.  

Сегнетоэлектрики, подобно ферромагнетикам, обладают гистерезисом, только не магнитным, а электрическим. Следовательно, нелинейные емкости характеризуются потерями энергии на гистерезис. Кроме этого, потери энергии в варикондах обусловлены наличием проводимости сегнетоэлектрика и вязкости процессов поляризации.