Исследование нелинейных цепей постоянного тока (Лабораторная работа № 1.4)

Лабораторная работа N 1.4

Исследование нелинейных цепей постоянного тока

Цель работы:

·  изучить различные нелинейные элементы электрических цепей, их параметры и характеристики на постоянном токе. Снять экспериментально их вольт-амперные характеристики;

·  выполнить графический расчет нелинейных цепей постоянного тока и проверить их экспериментально.

1. Краткие теоретические сведения

В электрические цепи могут входить элементы, сопротивление которых не является величиной постоянной, вследствие чего ток в них не находится в прямой пропорциональной зависимости по отношению к напряжению. Такие элементы оказывают различное сопротивление перемещению электрических зарядов, которое зависит от величин и направления напряжения и возникающего тока, и называются нелинейными элементами.

Основной характеристикой нелинейных элементов, по которой судят об их электрических свойствах, является вольтамперная (ампер-вольтная) характеристика I (U) (ВАХ). Она не может быть установлена теоретически и определяется экспериментально. В зависимости от вида вольт-амперной характеристики различают симметричные (электрические лампы накаливания рис.4.1а, бареттеры рис.4.1б), и несимметричные (полупроводниковый диод рис.4.2) нелинейные элементы.

Электрическая лампа накаливания имеет вольфрамовую нить в виде простой или двойной спирали (с выводами к цоколю), которая находится в стеклянном баллоне, обычно наполненном смесью азота и аргона или криптоном.

Бареттер устроен аналогично электрической лампе накаливания и имеет вольфрамовую или стальную нить (с выводами к цоколю), находящуюся в стеклянном баллоне, наполненном водородом. Размеры нити и давление водорода подобраны так, чтобы изменение величины напряжения в определенных пределах ( и ) рис.4.1б вызывало соответственное изменение сопротивления нити, при котором ток в цепи практически оставался неизменным. Бареттеры применяются в электрических цепях для стабилизации тока в отдельных ветвях при медленном изменении напряжения.

Полупроводниковые диоды – двухслойные приборы, обладающие практически односторонней проводимостью, т.е. при одинаковом по величине напряжении ток в прямом направлении (“плюс” – к p-слою и “минус” – к n-слою) во много раз больше, чем в обратном направлении включения (“плюс” – к n-слою и “минус” – к p-слою). Это свойство используют в выпрямителях – устройствах для преобразования переменного тока в ток постоянного (неизменного) направления.

При исследовании и расчете цепей с нелинейными элементами применяются такие параметры, как статическое и динамическое (дифференциальное) сопротивления, определяемые по вольт-амперным характеристикам.

Статическим сопротивлением  нелинейного элемента в заданной точке А его характеристики называют отношение напряжения на элементе к току в нем (рис.4.3)

,

где , ,  - масштабы напряжения, тока и сопротивления.

Дифференциальным сопротивлением  нелинейного элемента в заданной точке его характеристики называют отношение бесконечно малого приращения напряжения  к соответствующему приращению тока  рис.4.3

.

Очевидно, что  и  нелинейного элемента зависят от тока и напряжения.

Расчет нелинейных электрических цепей постоянного тока обычно выполняют графически методом, в основу которого положены законы Кирхгофа. По известным (отснятым экспериментально или взятым из справочников) вольт-амперным характеристикам (ВАХ) отдельных нелинейных элементов, образующих рассматриваемую цепь, находят ВАХ всей цепи. При этом ВАХ последовательно соединенных нелинейных элементов (или нелинейного и линейного элементов) получают суммированием напряжений при одинаковых значениях тока для всех элементов. Вольт-амперная характеристика параллельного соединения линейных элементов (или линейного и нелинейного элементов) получают суммированием токов при одинаковых для всех элементов (для всех параллельных ветвей) значениях напряжения. Таким образом, ВАХ (АВХ), полученная для всей цепи в целом, позволяет найти распределение напряжений и токов в электрической цепи с нелинейными элементами.

Рассмотренный выше метод графического расчета нелинейных цепей постоянного тока получил название метода эквивалентных преобразований. Применительно к последовательному соединению линейного и нелинейного элементов этот метод проиллюстрирован на рис.4.4.

Применительно к параллельному соединению линейного м нелинейного элементов метод эквивалентных преобразований проиллюстрирован на рис.4.5.

Кроме метода эквивалентных преобразований известны и широко применяются для графического расчета нелинейных цепей постоянного тока метод пересечения характеристик, метод линеаризации и метод эквивалентного активного двухполюсника (метод эквивалентного генератора).

2. Задание, выполняемое при домашней подготовке

2.1. По конспекту лекций, рекомендуемой литературе и разделу 1 данной работы освоить методы графического расчета нелинейных цепей постоянного тока.

2.2. Заготовить отчет по требованиям раздела 5.

3. Лабораторное задание

3.1. Собрать электрическую цепь по схеме рис.4.6.

3.2. Снять ВАХ реостата и лампы накаливания, подключая их поочередно к зажимам А и В, устанавливая с помощью ЛАТР блока питания напряжения, указанные в таблице 4.1. Измеренные значения токов записать в эту таблицу.