Линейни и нелинейни елементи на електрическата верига

Линейни елементи

Тези елементи на електрическата верига, за които зависимостта на тока от напрежението I (U) или напрежението от тока U (I), както и съпротивлението R, са постоянни, се наричат ​​линейни елементи на електрическата верига. Съответно, верига, състояща се от такива елементи, се нарича линейна електрическа верига.

Линейните елементи се характеризират с линейна симетрична характеристика ток-напрежение (CVC), която прилича на права линия, преминаваща през началната точка под определен ъгъл спрямо координатните оси. Това показва, че за линейни елементи и за линейни електрически вериги Законът на Ом стриктно спазвани.

Освен това можем да говорим не само за елементи с чисто активни съпротивления R, но и за линейни индуктивности L и капацитети С, където зависимостта на магнитния поток от тока — Ф (I) и зависимостта на заряда на кондензатора от напрежение между неговите плочи — q (U).

Ярък пример за линеен елемент е резистор с навит проводник… Токът през такъв резистор в определен диапазон на работно напрежение линейно зависи от стойността на съпротивлението и от напрежението, приложено към резистора.

Характеристика на проводника (характеристика токово напрежение) — връзката между напрежението, подадено към проводника, и тока в него (обикновено изразено като графика).

За метален проводник например токът в него е пропорционален на приложеното напрежение и следователно характеристиката е права линия. Колкото по -стръмна е правата, толкова по -ниско е съпротивлението на проводника. Въпреки това, някои проводници, при които токът не е пропорционален на приложеното напрежение (например газоразрядни лампи), имат по-сложна, нелинейна характеристика токово напрежение.

Нелинейни елементи

Ако за елемент от електрическа верига зависимостта на тока от напрежението или напрежението от тока, както и съпротивлението R, не са постоянни, т.е.променят се в зависимост от тока или от приложеното напрежение, тогава такива елементи са наречена нелинейна и съответно електрическа верига, съдържаща поне един нелинеен елемент, се оказва нелинейна електрическа верига.

Характеристиката токово напрежение на нелинеен елемент вече не е права линия на графиката, тя е нелинейна и често асиметрична, като полупроводников диод. Законът на Ом не е изпълнен за нелинейни елементи на електрическа верига.

В този контекст можем да говорим не само за лампа с нажежаема жичка или полупроводниково устройство, но и за нелинейни индуктивности и кондензатори, при които магнитният поток Ф и заряд q са нелинейно свързани с тока на бобината или с напрежението между плочите на кондензатора . Следователно за тях характеристиките на Вебер-ампер и характеристиките на кулон-волт ще бъдат нелинейни, те се задават чрез таблици, графики или аналитични функции.

Пример за нелинеен елемент е лампа с нажежаема жичка. С увеличаване на тока през нажежаемата жичка на лампата, нейната температура се увеличава и съпротивлението се увеличава, което означава, че не е постоянно и следователно този елемент от електрическата верига е нелинеен.

Статично съпротивление

За нелинейни елементи определено статично съпротивление е характерно във всяка точка от тяхната I — V характеристика, тоест на всяко съотношение на напрежение към ток във всяка точка на графиката се присвоява определена стойност на съпротивление.Може да се изчисли като допирателната на ъгъла алфа на наклона на графиката към хоризонталната ос I, сякаш тази точка лежи върху линейна графика.

Диференциално съпротивление

Нелинейните елементи също имат така нареченото диференциално съпротивление, което се изразява като съотношение на безкрайно малък прираст на напрежението към съответната промяна в тока. Това съпротивление може да се изчисли като допирателната на ъгъла между допирателната към I — V характеристиката в дадена точка и хоризонталната ос.

Този подход прави възможно най-простия анализ и изчисляване на прости нелинейни схеми.

Фигурата по -горе показва I — V характеристика на типичен диод… Той се намира в първия и третия квадрант на координатната равнина, това ни казва, че при положително или отрицателно напрежение, приложено към pn-прехода на диода (в една или друга посока), ще има отклонение напред или назад от pn-прехода на диода. С увеличаване на напрежението през диода в някоя от посоките, токът първоначално леко се увеличава, а след това рязко се увеличава. Поради тази причина диодът принадлежи към неконтролирана нелинейна двуполюсна мрежа.

Тази фигура показва семейство с типични I — V характеристики. фотодиод при различни условия на осветление. Основният режим на работа на фотодиода е режимът на обратното отклонение, когато при постоянен светлинен поток Ф токът практически не се променя в доста широк диапазон от работни напрежения. При тези условия модулирането на светлинния поток, осветяващ фотодиода, ще доведе до едновременна модулация на тока през фотодиода. По този начин фотодиодът е контролирано нелинейно двуполюсно устройство.

Това е VAC тиристор, тук можете да видите неговата ясна зависимост от величината на тока на управляващия електрод. В първия квадрант — работната секция на тиристора. В третия квадрант началото на I — V характеристиката е малък ток и голямо приложено напрежение (в заключено състояние, съпротивлението на тиристора е много високо). В първия квадрант токът е голям, спадът на напрежението е малък — тиристорът в момента е отворен.

Моментът на преход от затворено към отворено състояние настъпва, когато върху управляващия електрод се подаде определен ток. Преминаването от отворено състояние в затворено се случва, когато токът през тиристора намалява. По този начин тиристорът е контролиран нелинеен триполюсен (като транзистор, при който токът на колектора зависи от основния ток).