Электрические цепи с нелинейным резистивным элементом

Электрические цепи переменного тока, содержащие нелинейные элементы (резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности) при синусоидальных эдс, называются нелинейными.

Такие электрические цепи широко применяют для решения практических задач. Используя нелинейные элементы, можно стабилизировать ток и напряжение, мощность, получить определенную форму напряжения (треугольник, трапеция и др.).

Нелинейное резистивное сопротивление с резко выраженной несимметрией вольт-амперной характеристики работает как вентиль, т. е. имеет одностороннюю проводимость.

Вентильными свойствами обладает ряд приборов: германиевые и кремниевые диоды, электронные и газоразрядные электронные лампы.

Рассмотрим электрическую цепь, содержащую последовательно соединенные источник синусоидального напряжения (и = U_m sin at), вентиль (например, диод), с несимметричной вольт-амперной характеристикой и линейную нагрузку R (рис. 54, а). Для этой цепи уравнение электрического состояния имеет вид и= u_B + ki.

Зная зависимость i (и) нелинейного элемента и параметр R, строят кривую i (t) по известным правилам (рис. 54, б). Как видно из построения, кривая i(t) состоит из чередующихся положительных и отрицательных полуволн. При этом амплитуда положительных полуволн во много раз больше отрицательных. Таким образом получают эффект выпрямления переменного тока.

При значительных амплитудах питающего напряжения с допустимой для практики точностью можно пользоваться идеальной характеристикой диода и рассчитывать цепь аналитическими методами, используя кусочно-линейную аппроксимацию, т. е. принимая при положительной полярности напряжения сопротивление диода равным нулю (R_пр=0), а при отрицательной — бесконечности (R_обр=∞).

Рассмотрим однополупериодное выпрямление синусоидального тока (рис. 54, а). Вследствие односторонней электрической проводимости диода ток в цепи протекает только в течение положительного полупериода (рис. 54, в). В нагрузочном сопротивлении создается однополярное пульсирующее напряжение и_н, которое называют выпрямленным. Такую схему выпрямления называют однополупериодной. Среднее значение напряжения

Для получения трапецеидального напряжения используют схемы с диодным стабилитроном (рис. 55, а). Она представляет собой четырехполюсник, включающий балластное сопротивление и двусторонний стабилитрон, имеющий симметричную вольт-амперную характеристику (рис. 55,6). При любой полярности входного напряжения u_вх=U_msinωt, пока u_вх≤U₀ сопротивление стабилитрона велико i_д = 0, и_вых=и_вх. При u_вх>U₀ сопротивление стабилитрона близко к нулю и и_вх практически не изменяется (рис. 55, в).