Часть II

НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ

Глава тринадцатая

НЕЛИНЕЙНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

§ 13.1. Основные определения. Как уже говорилось в § 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, магнитотранзисто-ры и другие элементы.

§ 13.2. ВАХ нелинейных резисторов. На рис. 13.1 изображено четырнадцать 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.

Если величину, откладываемую по оси абсцисс, обозначить х, а величину, откладываемую по оси ординат, f(x), то характеристика рис. 13.1, а подчиняется условию f{x) = - /( - х).

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 уменьщается. 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 f/, (напряжения зажигания) происходит 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 рис. 13.1, д называется падающим участком вольт-амперной характеристики

Электрическую дугу щироко 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: / = аи. 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, 3.

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

ВАХ четырехслойного германиевого(кремниевого)диода - ди-нистора - изображена на рис. 13.1, л\ ВАХ туннельного диода - на рис. 13.1,/с(о принципах работы тринистора см. § 15.43 и туннельного диода см., например, [20]).

ВАХ ламбда-диода изображена на рис. 13.1, м, ВАХ диодного ограничителя тока - на рис. 13.1, н и ВАХ полупроводникового ста-

Падающий участок ВАХ представляет собой такой ее участок, на котором положительному приращению тока через HP соответствует отрицательное прираше-ние напряжения на нем.