3. 2. Нелинейные электрические цепи

постоянного тока

Цель

1. Исследование элементов нелинейных цепей постоянного тока.

2. Исследование нелинейных цепей постоянного тока.

Приборы и элементы

1. Вольтметры.

2. Амперметры.

3. Полупроводниковый диод.

4. Полупроводниковый стабилитрон.

5. Резисторы.

Краткие теоретические сведения

Свойства нелинейного резистивного двухполюсника определяются его вольтамперной характеристикой (ВАХ). Схему замещения такого двухполюсника представляют с помощью нелинейного резистивного элемента.

При последовательном соединении линейного и нелинейного двухполюсников результирующую вольтамперную характеристику цепи обычно находят путем построения зеркального отображения ВАХ линейного двухполюсника. Зеркальное отображение можно построить на плоскости ВАХ по выражению

где напряжение на нелинейном элементе, соответствующее каждому данному значению тока цепи.

При этом режим работы цепи будет определен точкой пересечения ВАХ зеркального отображения и ВАХ нелинейного двухполюсника.

Такие построения проводятся при графоаналитическом способе решения задач.

При аналитическом решении задачи ВАХ нелинейного элемента аппроксимируют одной из известных функций и затем находят совместное решение полученной зависимости и приведенного выше выражения для зеркального отображения ВАХ линейного элемента.

При последовательном соединении нелинейных элементов графоаналитический анализ работы цепи возможно провести двумя способами:

1) путем построения зеркального отображения ВАХ одного из нелинейных элементов и дальнейшего решения задачи согласно описанному выше случаю для задачи анализа последовательно соединенного линейного и нелинейного элемента;

2) способом построения суммарной ВАХ, получающейся при сложении характеристик обоих нелинейных элементов по оси напряжения.

Для получения суммарной ВАХ двух параллельно соединенных нелинейных элементов сложение их характеристик необходимо проводить по оси тока. Возможно также применить аналитический способ решения задачи аналогично выше описанному.

ВАХ нелинейных элементов обычно находят экспериментально.

Порядок проведения экспериментов

Эксперимент 1. Получение ВАХ полупроводникового диода

Собрать схему, изображенную на рис. 3. 9.

Рис. 3. 9. Схема для получения ВАХ полупроводникового диода

Включите схему на моделирование. Изменяя ЭДС источника в порядке, приведенном в табл. 3. 9, измерьте токи, протекающие по цепи, и падения напряжений на диоде и занесите их в данную таблицу.

Таблица 3. 9

Определение ВАХ полупроводникового диода

Е, В	5	4	3	2	1	0,5	0
U, B
I, мА

По полученным данным постройте зависимость I(U).

Эксперимент 2. Получение ВАХ полупроводникового стабилитрона

Соберите схему согласно рис. 3. 10.

Рис. 3. 10. Схема для получения ВАХ полупроводникового стабилитрона

Включите собранную схему на моделирование. Изменяя ЭДС источника в порядке, приведенном в табл. 3. 10, измерьте токи цепи и падения напряжений на стабилитроне.

Таблица 3. 10

Определение ВАХ полупроводникового стабилитрона

E, B	0	4	6	10	15	20	25	30
U, B
I, A

По полученным данным в третьем квадранте прямоугольной системы координат постройте зависимость I(U).

Эксперимент 3. Получение ВАХ нелинейной цепи постоянного тока

Соберите электрическую схему для проведения эксперимента, изображенную на рис. 3. 11.

Рис. 3. 11. Схема для получения ВАХ нелинейной цепи постоянного тока

Включите процесс моделирования собранной схемы. Изменяя ЭДС источника согласно значениям, которые приведены в табл. 3. 11, измерьте соответствующие значения токов. Результаты измерения занесите в табл. 3. 11.

Таблица 3. 11

Определение ВАХ нелинейной цепи

E, B	I, A	E, B	I, A
0		20
5		25
10		30
15		35

По полученным результатам постройте ВАХ нелинейной цепи I(E).

Аналогичное построение выполните на основании известных ВАХ полупроводникового стабилитрона и резисторов, входящих в схему, изображенную на рис. 3. 11.

Вопросы

1. Каким образом определяют сопротивления двух последовательно и параллельно соединенных резисторов?

2. Как определить эквивалентную ЭДС двух последовательно соединенных ее источников?

3. Как определить эквивалентный ток двух параллельно включенных его источников?

4. Чем отличаются идеальные источники энергии от неидеальных?

5. Каким образом можно заменить неидеальный источник ЭДС эквивалентным неидеальным источником тока?

6. Запишите выражения для законов Ома для участка цепи и для полной цепи.

7. Запишите выражения для первого и второго законов Кирхгофа.

8. Какие методы расчета нелинейных цепей постоянного тока применяют на практике?

9. Какой вид имеет вольтамперная характеристика полупроводникового диода?

10. Какой вид имеет вольтамперная характеристика полупроводникового стабилитрона?