Теоретические основы электротехники. Нелинейные электрические цепи

Элементы электрической цепи называются линейными, если их ВАХ подчиняются линейной зависимости:
Электрическая цепь, содержащая хотя бы один нелинейный элемент называется нелинейной электрической цепью
Если ВАХ элемента электрической цепи нельзя описать с помощью выше приведенного выражения, то такой элемент называется нелинейным

Главные отличительные особенности
нелинейных электрических цепей
к нелинейным цепям неприменим принцип наложения;
если подать на вход участка нелинейной цепи сигнала синусоидальной формы, то на выходе сигнал не будет синусоидальным – в нем появляются гармоники других частот, которые отсутствуют во входном сигнале (исключение составляют нелинейные активные сопротивления с большой тепловой инерционностью)

Классификация нелинейных элементов
По числу входных и выходных контактов нелинейные элементы разделяют на двух- и многополюсные.
К нелинейным двухполюсникам можно отнести нелинейные резистивные элементы (вакуумные и полупроводниковые диоды, термисторы и др.), нелинейные индуктивные элементы (катушки с ферромагнитными сердечниками) и нелинейные емкостные элементы (конденсаторы с диэлектриком из сегнетоэлектрика – вариконды, варикапы и др.).
Нелинейные индуктивные и емкостные элементы называют энергоемкими
В общем случае двухполюсные нелинейные элементы относят к неуправляемым элементам, а многополюсные – к управляемым

Рисунок 1 – Семейство ВАХ полупроводникового биполярного транзистора (зависимости коллекторного тока от напряжения на коллекторе при различных значениях тока, протекающего через базу)

Наряду с вольт-амперными характеристиками, описывающими поведение нелинейных элементов, широко применяются для описания поведения нелинейных индуктивных элементов – вебер-амперные характеристики, для описания поведения нелинейных емкостных элементов – кулон-вольтные характеристики
Рисунок 2 – Симметричная вольт-амперная характеристика нелинейного элемента
Симметричной называется вольт-амперная, вебер-амперная или кулон-вольтная характеристика, которая не зависит от направления определяющих ее величин и подчиняется функциональной зависимости:

Однозначной называется характеристика, у которой каждому значению входной величины соответствует единственное значение выходной величины
Неоднозначной называется характеристика, у которой одному значению входной величины соответствует два или несколько значений выходной величины, и наоборот, несколько значений входной величины соответствует одному значению выходной величины

Инерционные нелинейные элементы – элементы электрической цепи, характеристики которых зависят от скорости изменения переменных. Для этих элементов статическая и динамическая характеристика различны
Статическая характеристика устанавливает зависимость между действующими значениями входных и выходных величин
Динамическая характеристика устанавливает зависимость между мгновенными значениями входных и выходных величин
Безынерционные нелинейные элементы – элементы электрической цепи, характеристики которых не зависят от скорости изменения переменных

Пассивный нелинейный элемент – элемент электрической цепи, ВАХ которого проходит через начало координат. В противном случае он относится к активным нелинейным элементам, и его схема замещения содержит источник ЭДС (напряжения) или источник тока
Все реальные элементы электрических цепей в силу физических процессов, происходящих в них, всегда обладают некоторой нелинейностью

Рисунок 3 – К определению статического, дифференциального и динамического сопротивлений нелинейного резистивного элемента

Сопротивление постоянному току (статическое сопротивление) – отношение напряжения к току в данной точке вольт-амперной характеристики
Сопротивление переменному току (дифференциальное сопротивление) – отношение бесконечно малого приращения напряжения к бесконечно малому приращению тока, или в пределе первая производная от напряжения по току в выбранной точке вольт-амперной характеристики:

Рисунок 4 – Иллюстрация знакопеременности дифференциального сопротивления

Особенности расчета нелинейных электрических цепей
к нелинейным электрическим цепям неприменим принцип наложения, на котором основаны все рассмотренные выше методы расчета;
ВАХ нелинейных элементов в отличие от ВАХ линейных элементов весьма разнообразны, т.к. характеристики нелинейных элементов в подавляющем большинстве случаев определяют экспериментально и задают графически; при этом графики представляют собой кривые линии, которые описываются неизвестными аналитическими выражениями, причем каждый из всего многообразия нелинейных элементов имеет свою характеристику, что в свою очередь приводит к многообразию методов расчета нелинейных электрических цепей;

если ВАХ нелинейных элементов цепи задана эмпирически, и, следовательно, отсутствует ее аналитическое выражение, то для расчета этой цепи можно применить только весьма индивидуальные и неточные графические методы или трудоемкие аналитические методы, в основе которых лежит аппроксимация результатов;
при расчете нелинейных электрических цепей необходимо считаться с физическими явлениями, свойственными только нелинейным цепям и никогда не возникающими в линейных электрических цепях (например, после нахождения токов требуется обязательная проверка полученного режима работы цепи на устойчивость)