Нелинейные зависимости z = f(x) можно классифицировать по различным признакам:

1. По гладкости характеристик: гладкая - если в любой точке характеристики существует производная dz/dx, т. е. функция дифференцируема (рис. 1а, б); кусочно-линейная - характеристика, в которой производные имеют разрыв первого (рис.2а) или второго рода (рис. 2б).

По однозначности: однозначные - в которых каждому значению вхо-дной величины соответствует одно значение выходной величины (рис. 3a); многозначные - в которых каждому значению входной величины х соответствует несколько значений выходной величины z (рис.3б, в, г).

По симметрии: четно-симметричные - симметричные относительно оси ординат, т. е. z(х) = z (- х) (рис. 4а); нечетно-симметричные - сим-метричные относительно начала координат, при этом z (х) = - z (- х) (рис. 4б); не симметричные (рис. 4в).

Нелинейные цепи

Нелинейными называются цепи, в состав которых входит хотя бы один нелинейный элемент. Нелинейные элементы описываются нелинейными характеристиками, которые не имеют строгого аналитического выражения, определяются экспериментально и задаются таблично или графиками.

Нелинейные элементы можно разделить на двух - и многополюсные. Последние содержат три (различные полупроводниковые и электронные триоды) и более (магнитные усилители, многообмоточные трансформаторы, тетроды, пентоды и др.) полюсов, с помощью которых они подсоединяются к электрической цепи. Характерной особенностью многополюсных элементов является то, что в общем случае их свойства определяются семейством характеристик, представляющих зависимости выходных характеристик от входных переменных и наоборот: входные характеристики строят для ряда фиксированных значений одного из выходных параметров, выходные - для ряда фиксированных значений одного из входных.

По другому признаку классификации нелинейные элементы можно разделить на инерционные и безынерционные. Инерционными называются элементы, характеристики которых зависят от скорости изменения переменных. Для таких элементов статические характеристики, определяющие зависимость между действующими значениями переменных, отличаются от динамических характеристик, устанавливающих взаимосвязь между мгновенными значениями переменных. Безынерционными называются элементы, характеристики которых не зависят от скорости изменения переменных. Для таких элементов статические и динамические характеристики совпадают.

Понятия инерционных и безынерционных элементов относительны: элемент может рассматриваться как безынерционный в допустимом (ограниченном сверху) диапазоне частот, при выходе за пределы которого он переходит в разряд инерционных.

В зависимости от вида характеристик различают нелинейные элементы с симметричными и несимметричными характеристиками. Симметричной называется характеристика, не зависящая от направления определяющих ее величин, т.е. имеющая симметрию относительно начала системы координат. Для несимметричной характеристики это условие не выполняется, т.е. Наличие у нелинейного элемента симметричной характеристики позволяет в целом ряде случаев упростить анализ схемы, осуществляя его в пределах одного квадранта.

По типу характеристики можно также разделить все нелинейные элементы на элементы с однозначной и неоднозначной характеристиками. Однозначной называется характеристика, у которой каждому значению х соответствует единственное значение y и наоборот. В случае неоднозначной характеристики каким-то значениям х может соответствовать два или более значения y или наоборот. У нелинейных резисторов неоднозначность характеристики обычно связана с наличием падающего участка, а у нелинейных индуктивных и емкостных элементов - с гистерезисом.

Наконец, все нелинейные элементы можно разделить на управляемые и неуправляемые. В отличие от неуправляемых управляемые нелинейные элементы (обычно трех- и многополюсники) содержат управляющие каналы, изменяя напряжение, ток, световой поток и др. в которых, изменяют их основные характеристики: вольт-амперную, вебер-амперную или кулон-вольтную.

В зависимости от вида составляющих нелинейных элементов, называют нелинейные цепи.

Любая хаотическая система должна иметь нелинейные элементы или свойства. В линейной системе не может быть хаотических колебаний. В линейной системе периодические внешние воздействия вызывают после затухания переходных процессов периодический отклик того же периода (рис. 2.1). (Исключением являются параметрические линейные системы.) В механических системах возможны следующие нелинейные компоненты:

1) нелинейные упругие элементы;

Рис. 2.1. Схема возможных преобразований сигнала в линейных и нелинейных системах.

2) нелинейное затухание, подобное трению покоя и скольжения;

3) мертвый ход, зазор или билинейные пружины;

4) большинство гидродинамических явлений;

5) нелинейные граничные условия.

Нелинейные упругие эффекты могут быть связаны либо со свойствами веществ, либо с геометрическими особенностями. Например, соотношение напряжений в образце из резины и его деформации нелинейно. Однако, хотя соотношение напряжений и деформаций стали обычно линейно вплоть до предела текучести, сильные изгибы балки, плиты или оболочки могут быть нелинейно связаны с приложенными силами и моментами. Подобные эффекты, связанные с сильными смещениями или поворотами, в механике обычно называются геометрическими нелинейностями.

Нелинейные свойства электромагнитных систем обусловлены следующими факторами:

1) нелинейными сопротивлениями, емкостями или индуктивными элементами;

2) гистерезисом в ферромагнитных материалах;

3) нелинейными активными элементами, подобными вакуумным лампам, транзисторам и диодам;

4) эффектами, характерными для движущихся сред, например электродвижущей силой , где v - скорость, а В - магнитное поле;

5) электромагнитными силами, например , где J - ток, или , где М - дипольный магнитный момент.

Примерами нелинейных устройств являются такие обычные элементы электрических цепей, как диоды и транзисторы.

Рис. 2.2. Нелинейные задачи с несколькими положениями равновесия: а - продольный изгиб тонкого упругого стержня под действием осевой нагрузки на торце; 6 - продольный изгиб упругого стержня нелинейными магнитными массовыми силами.

Такие магнитные материалы, как железо, никель или ферриты характеризуются нелинейными материальными соотношениями между полем намагничивания и плотностью магнитного потока. С помощью операционных усилителей и диодов некоторым экспериментаторам удается собрать отрицательные сопротивления с билинейной вольт-амперной характеристикой (см. гл. 4).

Не во всякой системе легко выявить нелинейности, во-первых, потому что мы часто приучены рассуждать на языке линейных систем, а во-вторых, потому что основные компоненты системы могут быть линейными и нелинейность является тонким эффектом. К примеру, отдельные элементы фермы крепления могут быть линейно упругими, но они собраны так, что имеются зазоры и присутствует нелинейное трение. Таким образом, нелинейность может скрываться в граничных условиях.

В примере с изогнутым стержнем нелинейные элементы выделяются без труда (рис. 2.2). В любом механическом устройстве, имеющем более одного положения статического равновесия, присутствуют зазор, мертвый ход или нелинейная жесткость. В случае стержня, изогнутого нагрузкой на конце (рис. 2.2, а), виновником является геометрическая нелинейность жесткости. В стержне, изгибаемом магнитными силами (рис. 2.2, б), источником хаотического поведения системы являются нелинейные магнитные силы.

При действии в цепи постоянных ЭДС и напряжений значение постоянного тока в ней определяется сопротивлениями и проводимостями G элементов цепи, т.е. эти параметры являются основными. Что касается ёмкости и индуктивности, то они в случае нелинейных цепей постоянного тока играют роль лишь при решении вопроса об устойчивости режима в такой цепи. Но и в цепи переменного тока для многих нелинейных элементов основное значение имеют их сопротивление и проводимость. В связи с этим рассмотрим такие нелинейные элементы и их характеристики, основными параметрами которых являются сопротивление и проводимость.

Для элемента, характеризуемого постоянным сопротивлением, ВАХ – прямая линия (рис. 9.1).

Характеристики нелинейных элементов принято подразделять на статические и динамические. Под статическими понимаются характеристики, полученные при очень медленном (бесконечно медленном) изменении тока или напряжения. Динамические характеристики дают связь между напряжением и током при быстрых их изменениях. Эти характеристики могут отличаться от статических, например, вследствие тепловой инерции.

Существуют понятия статического и динамического сопротивлений, а также статической и динамической проводимостей. Под статическим сопротивлением (R c) при данном токе называется отношение напряжения, соответствующее указанному току по статической характеристике, к величине этого тока (рис. 9.2). Величина, обратная статическому сопротивлению, называется статической проводимостью.

, υ, a – масштабы напряжения и тока.

Под динамическим сопротивлением (R д) в данной точке динамической характеристики называется производная напряжения по току в указанной точке динамической характеристики. Величина, обратная динамическому сопротивлению, называется динамической проводимостью (G д). Пусть динамическая характеристика совпадает со статической. Тогда динамическое сопротивление можно определить из приведённой статической характеристики следующим образом:

Где β – угол наклона касательной к динамической характеристике к оси абсцисс.

Все указанные параметры R ст, R д, меняются от точки к точке, т.е. зависят от тока. Для пассивных элементов, т.е. не содержащих источников энергии, всегда R c > 0, G c > 0 , но R д , G д положительны только для точек, лежащих на восходящей части характеристики и отрицательны для точек падающей части (рис. 9.3).

9.2. Вольт-амперные характеристики некоторых нелинейных элементов

1. Полупроводниковый диод, его ампер-вольтная характеристика приведена на рис. 9.4.

2. В технике высокого напряжения находят применение тиритовые нелинейные элементы, выполненные из керамического материала – тирита. Характеристика тирита имеет вид (рис. 9.5)

Сопротивление тирита с увеличением напряжения падает, т.е. проводимость увеличивается. Такая зависимость проводимости от напряжения позволяет использовать тиритовые элементы для защиты установок высокого напряжения электрических станций, трансформаторов подстанций и т.д. от перенапряжений. Устанавливают так называемые тиритовые разрядники (Т) (рис. 9.6), включённые через искровой промежуток и параллельно с защищаемой установкой (N ) между линией переменного тока высокого напряжения (ВН) и землёй.

При номинальном напряжении искровой промежуток не пробит и через разрядник ток не проходит. При превышении номинального напряжения искровой промежуток пробивается и через разрядник проходит большой ток, т.е. с повышением напряжения сопротивление его резко падает. В итоге линия (ВН) разряжается на тиритовый разрядник (Т) и напряжение на линии падает. При этом сопротивление разрядника возрастает, и ток через него падает. Резкое уменьшение тока приводит к прекращению разряда в искровом промежутке и, следовательно, к прекращению тока в цепи разрядника.

3. Большое практическое значение имеет электрическая дуга, являющаяся нелинейным элементом электрических цепей. На рис. 9.7 схематично изображена электрическая дуга, горящая в воздухе при атмосферном давлении между угольными электродами.

Активная часть катода (К), излучающая электроны ē , имеет температуру ~ 3000°С. Часть А анода, бомбардируемая электронами ē , имеет температуру ~ 4000°С. Между активными частями К и А располагается сама дуга Д, температура которой ~ 5000°С. В области дуги газ находится в ионизированном состоянии, основными носителями тока являются ē .

В настоящее время как источник света электрическая дуга используется в прожекторах и проекционных аппаратах. В металлургии мощные дуги применяются в дуговых печах. Большое распространение получила электросварка электрической дугой.

Электрическая дуга имеет нелинейную характеристику, которая показана на рис. 9.8.

Можно видеть, что с увеличением тока, напряжение дуги падаeт.

9.3. Расчёт простых цепей с пассивными нелинейными

элементами

Графический метод расчета.

а) Последовательное соединение нелинейных элементов.

Характеристики нелинейных элементов , даны в виде графиков на рис. 9.10.

В данном случае по законам Кирхгофа можно записать , .

Поэтому, складывая ординаты характеристик и , находим характеристику . Располагая этой характеристикой, нетрудно найти ток i , u 1 , u 2 для любого режима.

Например, для напряжения u=u* (рис. 9.10).

Этот метод может быть распространён на случай любого числа последовательно соединенных нелинейных и линейных элементов.

б) Случай параллельного соединения нелинейных элементов (рис. 9.11).

Характеристики нелинейных элементов u 1 =F 1 (i 1), u 2 =F 2 (i 2) приведены на рис. 9.12.

В этом случае в соответствии с законами Кирхгофа имеем i=i 1 +i 2 ,

Поэтому, складывая абсциссы кривых и , получаем характеристику .

в) Рассмотрим смешанное соединение (рис. 9.13).

Характеристики нелинейных элементов известны (рис. 9.14). Вольт-амперная характеристика линейного сопротивления записывается следующим образом: .

Согласно законам Кирхгофа, имеем уравнения , , .

Складываем сначала ординаты кривых . Получаем кривую .

Складывая затем абсциссы кривых и , получим зависимость . Располагая приведёнными кривыми, можно найти все напряжения и токи, если задано одно из этих напряжений или один из этих токов.

г). Расчёт простых нелинейных цепей, содержащих источники ЭДС (рис. 9.15).

Заданы характеристика ,величина и направление ЭДС “e ”.

По второму закону Кирхгофа с учётом направления обхода имеем:

Пусть e bc >0. Тогда имеем случай, показанный на рис. 9.16. Случаю, когда e bc <0, соответствует рис. 9.17.

Т.о. учёт ЭДС можно произвести путём соответствующего смещения характеристики нелинейного элемента, включённого с источником ЭДС последовательно. Поэтому расчёт нелинейных цепей, содержащих источники ЭДС, производится теми же методами, что и расчёт пассивных нелинейных цепей.

Известны ; величины и направления ЭДС e 1 > 0, e 2 > 0(рис. 9.19, 9.20).

Задаёмся направлением токов во всех ветвях. Строим выше указанным способом результирующую характеристику всех ветвей.

(рис. 9.19), (рис. 9.20).

Складываем абсциссы кривых , , находим (рис. 9.21).

9.4. Расчёт простых нелинейных цепей постоянного тока итерационным методом

Термин «итерация» происходит от латинского слова и означает «повторение».

Для расчёта цепей с нелинейными элементами очень часто применяют итерационный метод решения нелинейных алгебраических уравнений.

Для уяснения сущности метода рассмотрим эквивалентную схему, на которой источник ЭДС Е и сопротивление r в (рис. 9.22) представляют произвольную линейную часть первоначальной схемы, т.е. представляют некоторый эквивалентный источник.

Пусть внешняя характеристика эквивалентного источника совпадает с прямой 1 (рис. 9.23), а характеристика нелинейного элемента даётся кривой 2.

Если решение производить геометрическим путем, то точка “а ” пересечения характеристик определяет режим цепи, т.е. напряжение и ток в этом режиме.

Если данную задачу решать численным способом, например итерационным методом, необходимо поступить следующим образом:

1. Совершаем, так называемое, нулевое приближение. Для этого задаём напряжение U 0 равное, например, Е и по кривой 2 находим ток I 0 .

Классификация нелинейных элементов

Нелинейные цепи - это цепи, в которых есть хотя бы один нелинейный элемент. Нелинейный элемент - это элемент, для которого связь тока и напряжения задают нелинейным уравнением.

В нелинейных цепях не выполняется принцип наложения, и поэтому нет общих методов расчёта. Это вызывает необходимость разработки специальных методов расчета для каждого типа нелинейных элементов и режима их работы.

Нелинейные элементы классифицируют:

1) по физической природе: проводниковые, полупроводниковые, диэлектрические, электронные, ионные и т.д.;

2) по характеру делят на резистивные, емкостные и индуктивные;

ВАХ КВХ ВАХ

3) по виду характеристик все элементы делят

На симметричные и несимметричные. Симметричные - это такие, у которых характеристика симметрична относительно начала координат. Для не симметричных элементов раз и навсегда выбирают положительное направление напряжения или тока и для них в справочниках приводится ВАХ. Только такое направление можно использовать при решении задач с использованием этих ВАХ.

На однозначные и неоднозначные. Неоднозначные, когда одному значению тока или напряжения на ВАХ соответствуют несколько точек;

4) инерционные и безынерционные элементы. Инерционными элементами называют такие элементы, у которых нелинейность обусловлена нагревом тела при прохождении тока. Т. к. температура не может изменяться сколь угодно быстро, то при прохождении по такому элементу переменного тока с достаточно высокой частотой и неизменным действующим значением, температура элемента остается практически постоянной в течение всего периода изменения тока. Поэтому для мгновенных значений элемент оказывается линейным и характеризуется какой-то постоянной величиной R (I,U). Если же изменится действующее значение тока, то изменится температура и получится другое сопротивление, т. е. для действующих значений элемент станет нелинейным.

5) управляемые и неуправляемые элементы. Выше мы говорили о неуправляемых элементах. К управляемым элементам относят элементы с тремя и более выводами, у которых, изменяя ток или напряжение на одном выводе, можно менять ВАХ относительно других выводов.

Параметры нелинейных элементов и некоторые схемы их замещения

В зависимости от конкретной задачи удобно применять те или иные параметры элементов и общее число их велико, но чаще всего используют статические и дифференциальные параметры. Для резистивного двухполюсного элемента это будут статическое и дифференциальное сопротивления.

В заданной точке ВАХ

В заданной рабочей точке ВАХ

1. Дают небольшое приращение напряжения. Находят по ВАХ, вызванное этим приращением, приращение тока и берут их отношение. Недостатком этого способа является то, что для повышения точности расчета нужно уменьшать U и I, но при этом трудно работать с графиком.

2. К заданной точке кривой проводят касательную и тогда по геометрическому определению производной, получают

Где приращения берут на этой касательной и могут быть сколь угодно большими.

Если известен режим работы нелинейного элемента, то в этой точке известно его статическое сопротивление, а также напряжение и ток, поэтому его можно заменить одним из 3-х способов.

Если известно, что во время работы цепи ток и напряжение меняются в пределах «более-менее прямолинейного участка ВАХ», то этот участок описывают линейным уравнением и ставят ему в соответствие такую эквивалентную схему.

Линеаризуют этот участок уравнением вида U=a+ib.Получают для него коэффициенты уравнения.

При i=0 и U=U 0 =а,

усреднённое значение на этом участке.

Тогда, что соответствует следующей схеме замещения:

Эта схема будет справедлива для участка, ограниченного волнистой линией.

То же самое выражение можно записать по-другому:

Поэтому в некоторых задачах, где заранее известно, что токи и напряжения нелинейного элемента представляют в виде суммы постоянной составляющей Uрт, Iрт и переменной составляющей u ~ , i ~ c амплитудой << чем величина постоянной составляющей, отдельно рассчитывают режим на постоянном токе (напряжении) и отдельно для переменной составляющей. Из записей видно, что двухполюсный элемент для малой переменной составляющей можно заменить просто дифференциальным сопротивлением в рабочей точке.

Этот же подход применяют и в схемах с многополюсными элементами, но там не удаётся ввести только одно сопротивление, т. к. Ч. П. характеризуются четырьмя коэффициентами уравнений. Но можно найти эти коэффициенты для малых переменных составляющих токов и напряжений.

Пример: Биполярный транзистор (схема с общим эмиттером).

Пусть известно, что u j =U p ф+u kj , i j =I p ф+i kj

Схема замещения:

Применим дифференцирующие параметры и получим в форме «И».

u бк =h 21 i б +h 12 u кэ

i кэ =h 21 i б +h 22 u кэ

U бэ =H 11 I б +H 21 U кэ

Эти уравнения пишут для переменных составляющих, потому что изменяется процедура расчета элементов.

H 11 =U бэ /I б при I б =0, т.е. i б =I бр.т.

H 12 =U бэ /U кэ при I б =0

H 21 =I к /I б при U кэ =0

H 22 =I к /U кэ при I б =0, т.е. i б =I бр.т.

h 12 =ДU бэ /ДU кэ h 21 =Дi к /Дi б h 22 =Дi к /Дu кэ,

где I, U есть приращения токов и напряжений в окрестности рабочей точки.

Вольтамперные характеристики данного нелинейного элемента.

Методы расчёта нелинейных цепей постоянного тока

Различают: численные, аналитические и графические методы.

1) Численные - это методы численного решения нелинейных уравнений. Обычно используют ЭВМ. Они позволяют решить широкий круг задач, но ответ получается в виде числа.

2) Аналитические - это методы, в основе которых лежит аппроксимация ВАХ какой-нибудь подходящей функции. Если эта функция нелинейная, то получается нелинейная система уравнений. Чтобы она могла быть решена, приходиться очень аккуратно выбирать аппроксимирующую функцию.

Классификация нелинейных элементов

Нелинейные электрические цепи

РАЗДЕЛ II. НЕЛИНЕЙНЫЕ ЦЕПИ

Нелинейные цепи - это цепи, в которых есть хотя бы один нелинейный элемент, Нелинейный элемент - это элемент, для которого связь тока и напряжения задают нелинейным уравнением.

В нелинейных цепях не выполняется принцип наложения, и поэтому нет общих методов расчёта. Это вызывает необходимость разработки специальных методов расчета для каждого типа нелинейных элементов и режима их работы.

Нелинейные элементы классифицируют:

1) по физической природе : проводниковые, полупроводниковые, диэлектрические, электронные, ионные и т.д.;

2) по характеру делят на резистивные, емкостные и индуктивные;

ВАХ КВХ ВАХ

3) по виду характеристик все элементы делят

На симметричные и несимметричные. Симметричные – это такие, у которых характеристика симметрична относительно начала координат. Для не симметричных элементов раз и навсегда выбирают положительное направление напряжения или тока и для них в справочниках приводится ВАХ. Только такое направление можно использовать при решении задач с использованием этих ВАХ.

На однозначные и неоднозначные. Неоднозначные, когда одному значению тока или напряжения на ВАХ соответствуют несколько точек;

4) инерционные и безынерционные элементы. Инерционными элементами называют такие элементы, у которых нелинейность обусловлена нагревом тела при прохождении тока. Т. к. температура не может изменяться сколь угодно быстро, то при прохождении по такому элементу переменного тока с достаточно высокой частотой и неизменным действующим значением, температура элемента остается практически постоянной в течение всего периода изменения тока. Поэтому для мгновенных значений элемент оказывается линейным и характеризуется какой-то постоянной величиной R (I,U). Если же изменится действующее значение тока, то изменится температура и получится другое сопротивление, т. е. для действующих значений элемент станет нелинейным.

5) управляемые и неуправляемые элементы. Выше мы говорили о неуправляемых элементах. К управляемым элементам относят элементы с тремя и более выводами, у которых, изменяя ток или напряжение на одном выводе, можно менять ВАХ относительно других выводов.

В зависимости от конкретной задачи удобно применять те или иные параметры элементов и общее число их велико, но чаще всего используют статические и дифференциальные параметры. Для резистивного двухполюсного элемента это будут статическое и дифференциальное сопротивления.

В заданной точке ВАХ

В заданной рабочей точке ВАХ

1. Дают небольшое приращение напряжения. Находят по ВАХ, вызванное этим приращением, приращение тока и берут их отношение. Недостатком этого способа является то, что для повышения точности расчета нужно уменьшать DU и DI , но при этом трудно работать с графиком.

2. К заданной точке кривой проводят касательную и тогда по геометрическому определению производной, получают

Где приращения берут на этой касательной и могут быть сколь угодно большими.

Если известен режим работы нелинейного элемента, то в этой точке известно его статическое сопротивление, а также напряжение и ток, поэтому его можно заменить одним из 3-х способов.

Если известно, что во время работы цепи ток и напряжение меняются в пределах «более-менее прямолинейного участка ВАХ», то этот участок описывают линейным уравнением и ставят ему в соответствие такую эквивалентную схему.

Линеаризуют этот участок уравнением вида U=a+ib .Получают для него коэффициенты уравнения.

При i =0 и U=U 0 =а ,