Elementy liniowe i nieliniowe obwodów elektrycznych, pomiar charakterystyk stałoprądowych.doc

1. Cel ćwiczenia

Zapoznanie się ze sposobem opracowania wyników pomiarowych, obliczeniem niepewności wyniku pomiaru pośredniego. Zwrócenie uwagi na fakt, że niepewność pomiaru pośredniego zależy od niepewności pomiarów bezpośrednich i od mierzonej wielkości. Zapoznanie się z elementami liniowymi i nieliniowymi oraz wybranymi układami do pomiaru rezystancji.

2. Wstęp teoretyczny

Element nieliniowy jest to element, którego charakterystyka prądowo-napięciowa jest nieliniowa, tj. jej wykres nie jest linią prostą. Nieliniowość tej charakterystyki jest uwarunkowana zależnością własności elementu nieliniowego od wartości i zwrotu prądu w tym elemencie lub występującego na jego zaciskach napięcia. Obwód nieliniowy to obwód zawierający choć jeden element nieliniowy.

Elementy nieliniowe można klasyfikować ze względu na wiele czynników. W zależności od występowania czynników sterujących można wyróżnić:

nieliniowe elementy niesterowane (np. żarówka, dioda, bareter) - charakterystyka takich elementów może być przedstawiona w postaci jednej krzywej,

nieliniowe elementy sterowane (np. tranzystor bipolarny, lampa próżniowa) - posiadają one rodzinę charakterystyk, gdyż charakterystyka toru głównego tego elementu zmienia się wskutek zmiany czynnika sterującego.

Inna klasyfikacja dotyczy wykazywania przez element nieliniowy zjawiska histerezy:

elementy niewykazujące zjawiska histerezy (np. żarówka, dioda półprzewodnikowa) - ich charakterystyka jest wzajemnie jednoznaczna, tj. jednej wartości prądu odpowiada jedna wartość napięcia i odwrotnie,

elementy wykazujące zjawisko histerezy (np. cewka z rdzeniem ferromagnetycznym, dioda gazowa) - dla tych elementów charakterystyka prądowo-napięciowa dla wzrastającego napięcia na elemencie jest inna od tej gdy napięcie na elemencie maleje.

Z kolei ze względu na symetrię charakterystyki rozróżnia się:

elementy o charakterystyce symetrycznej (np. żarówka, bareter, neonówka),

elementy o charakterystyce niesymetrycznej (np. dioda półprzewodnikowa).

Elementy mające charakterystykę typu diody półprzewodnikowej nazywamy prostownikami, ponieważ w praktyce przepuszczają one prąd tylko w jedną stronę.

Ogromna większość elementów rzeczywistych jest nieliniowa, lecz w praktyce wiele z nich uważa się za liniowe w pewnym zakresie zmian prądu i napięcia.

              Charakterystyki prądowo-napięciowe wybranych elementów nieliniowych:
a) żarówka z włóknem metalowym, b) dioda półprzewodnikowa, c) neonówka

Do określania rezystancji elementów nieliniowych stosuje się dwa pojęcia: rezystancji statycznej i rezystancji dynamicznej. Obydwie wielkości nie są stałe, lecz zależą od punktu pracy elementu nieliniowego, tj. od prądu i napięcia. Rezystancja statyczna jest określona jako

gdzie U, I - napięcie i prąd elementu nieliniowego w punkcie pracy. Rezystancja dynamiczna zdefiniowana jest wzorem

gdzie ΔU, ΔI - „niewielkie” różnice napięcia i prądu w pobliżu punktu pracy.

Rezystancje te można wyznaczyć z charakterystyki prądowo-napięciowej (rys. 2). Zakładając, że mU oznacza liczbę woltów przypadających na jednostkę długości osi poziomej, a mI - liczbę amperów przypadającą na jednostkę długości osi pionowej, można pokazać, że

gdzie α i β - kąty pokazane na rysunku 2.

Rys. 2.              Graficzna interpretacja rezystancji statycznej i dynamicznej

3. Przebieg ćwiczenia

ü      żarówka