Нелинейные электрические цепи постоянного тока

Основные определения

Как уже говорилось в параграфе 2.1, под нелинейными электрическими цепями принято понимать электрические цепи, содержащие нелинейные элементы. Нелинейные элементы подразделяют на резистивные, индуктивные и емкостные.

Нелинейные резисторы (HP), в отличие от линейных, обладают нелинейными вольт-амперными характеристиками. Напомним, что вольт-амперная характеристика (ВАХ) — это зависимость тока, протекающего через резистор, от напряжения на нем. Нелинейные резисторы могут быть подразделены на две большие группы: неуправляемые и управляемые.

В управляемых HP, в отличие от неуправляемых, кроме основной цепи, как правило, есть еще по крайней мере одна вспомогательная или управляющая цепь, воздействуя на ток или напряжение которой можно деформировать ВАХ основной цепи. В неуправляемых HP ВАХ изображается одной кривой, а в управляемых — семейством кривых.

В группу неуправляемых HP входят лампы накаливания, электрическая дуга, бареттер, газотрон, стабиловольт, тиритовые сопротивления, полупроводниковые выпрямители (диоды) и некоторые другие.

В группу управляемых HP входят трехэлектродные (и более) лампы, транзисторы, тиристоры, терморезисторы, фоторезисторы, фотодиоды, магниторезисторы, магнитодиоды, магнитотранзисторы и другие элементы.

Вольт-амперная характеристика нелинейных резисторов

На рис. 13.1 изображено пятнадцать типов наиболее часто встречающихся ВАХ неуправляемых резисторов.

ВАХ на рис. 13.1, а имеют, например, лампы накаливания с металлической нитью. Чем больше протекающий через нить ток, тем сильнее нагревается нить и тем больше становится ее сопротивление.

Рис. 13.1.

Если величину, откладываемую по оси абсцисс, обозначить х, а величину, откладываемую по оси ординат, Дх), то характеристика на рис. 13.1, а подчиняется условию

Нелинейные резисторы, для которых выполняется это условие, называют HP с симметричной вольт-амперной характеристикой.

ВАХ на рис. 13.1, б обладают варисторы, некоторые типы терморезисторов и лампы накаливания с угольной нитью. Для данной группы характерно, что с увеличением протекающего тока сопротивление их уменьшается. ВАХ их симметрична. ВАХ на рис. 13.1, в обладает, например, бареттер. Бареттер выполняют в виде спирали из стальной проволоки, помещенной в стеклянный сосуд, заполненный водородом при давлении порядка 80 мм рт. ст. В определенном диапазоне изменения тока ВАХ бареттера расположена почти горизонтально. Бареттер используют, например, для стабилизации тока накала электронных ламп при изменении напряжения питания. ВАХ на рис. 13.1, в также симметрична.

ВАХ на рис. 13.1, г, в отличие от предыдущих, несимметрична. Ею обладают полупроводниковые диоды (кремниевые, германиевые), широко применяемые для преобразования переменного тока в постоянный. Они способны пропускать ток практически только в одном, проводящем направлении. Широко используют их также в различных датчиках и преобразователях устройств автоматики.

ВАХ на рис. 13.1, д имеют электрическая дуга с разнородными электродами, газотрон и некоторые типы терморезисторов. Если напряжение повышать начиная с нуля, то сначала ток растет, но остается весьма малым, после достижения напряжения и_г (напряжения зажигания) происходят резкое увеличение тока в цепи и снижение напряжения на электрической дуге или газотроне. Для верхнего участка ВАХ приращению тока соответствует убыль напряжения на нелинейном сопротивлении.

Участок ВАХ типа верхнего участка кривой на рис. 13.1, д называется падающим участком вольт-амперной характеристики^[1].

Электрическую дугу широко применяют при сварке металлов, в электротермии (в дуговых электропечах), а также в качестве мощного источника электрического освещения, например в прожекторах.

Газотрон представляет собой лампу с двумя электродами, заполненную благородным газом (неоном, аргоном и др.) или парами ртути.

ВАХ на рис. 13.1, е имеет двухэлектродная выпрямительная лампа — кенотрон. По нити накала лампы пропускают ток. Этот ток разогревает катод (один из двух электродов лампы) до высокой температуры, в результате чего с поверхности катода начинается термоэлектронная эмиссия. Под действием электрического поля поток электронов направляется ко второму, холодному, электроду — аноду. В начальной части ВАХ зависимость тока от напряжения подчиняется закону трех вторых: i = аи^3/2. ВАХ кенотрона несимметрична, это объясняется тем, что поток электронов направляется с катода на анод только в том случае, если анод положителен по отношению к катоду.

ВАХ на рис. 13.1, ж обладают лампы с тлеющим разрядом. К числу их относятся стабиловольты (стабилитроны) и неоновые лампы. При тлеющем разряде благородный газ, которым заполнена лампа, светится. ВАХ на рис. 13.1, ж свидетельствует о том, что в определенном диапазоне значений токов напряжение на лампе остается практически неизменным.

Некоторые типы точечных германиевых и кремниевых диодов имеют ВАХ на рис. 13.1, з.

Электрическая дуга между электродами, выполненными из одного и того же материала и находящимися в одинаковых условиях, имеет ВАХ, подобную приведенной на рис. 13.1, и.

ВАХ туннельного диода изображена на рис. 13.1, к (о принципах работы туннельного диода см., например, [20])); ВАХ четырехслойного германиевого (кремниевого) диода — динистора — на рис. 13.1, л (см. параграф 15.41).

ВАХ лямбда-диода изображена на рис. 13.1, м, ВАХ диодного ограничителя тока — на рис. 13.1, н, ВАХ полупроводникового стабилизатора тока — на рис. 13.1, о. На рис. 13.1, п изображена ВАХ двух одинаковых встречно включенных туннельных диодов. ВАХ управляемых нелинейных элементов рассмотрены в гл. 15.

• [1] Падающий участок ВАХ представляет собой такой ее участок, на котором положительному приращению тока через HP соответствует отрицательное приращение напряжения на нем.