Нелинейные элементы как генераторы высших гармоник тока и напряжения

Если нелинейный элемент, например резистор, присоединить к генератору синусоидального напряжения, то проходящий через него ток будет иметь несинусоидальную форму и потому нелинейный резистор будет являться генератором высших гармоник тока. Для того чтобы убедиться в этом, рассмотрим рис. 15.8, где кривая 1 — ВАХ HP; кривая 2 — синусоидальное напряжение на нем; кривая 3 — ток через HP.

Рис. 15.8.

Для построения кривой i =/(tot) последовательно придаем wt значения, равные, например, 0, п/6, п/4, п/3, п/2 и т. д.; для каждого из них находим напряжение и, переносим соответствующее значение и на кривую и = f (i) и из нее определяем значение тока i для взятого момента времени. Найденное значение тока i откладываем на той ординате, которой соответствует выбранный момент времени.

Эти операции показаны на рис. 15.8 стрелками. Так, по точкам строим кривую 3. Она имеет пикообразную форму и может быть разложена на гармоники.

Аналогично если через нелинейный резистор пропустить синусоидальный ток, то напряжение на нем будет иметь несинусоидальную форму. Соответствующие построения приведены на рис. 15.9. Следовательно, нелинейный резистор является генератором высших гармоник напряжения.

Амплитуды первой и высших гармоник токов нелинейно зависят от амплитуд первой и высших гармоник напряжений на нелинейных элементах. Это затрудняет анализ и расчет нелинейных цепей и в то же время позволяет осуществить с их помощью ряд важных в практическом отношении преобразований, принципиально невыполнимых с помощью линейных электрических цепей при неизменных во времени параметрах.

Рис. 15.9.

Основные преобразования, осуществляемые с помощью нелинейных электрических цепей

На рис. 15.10, а схематически изображен четырехполюсник, в состав которого входят одно или несколько нелинейных элементов. Будем называть такой четырехполюсник нелинейным (НЧ).

Рис. 15.10.

На рис. 15.10, б представлен нелинейный шестиполюсник (НШ). В отличие от четырехполюсника он имеет еще два зажима («полюса»), к которым присоединяется источник управляющего напряжения или тока.

С помощью нелинейных четырехи шестиполюсников можно осуществить ряд практически важных преобразований:

• 1) преобразовать переменный ток в постоянный. Устройства, предназначенные для этого, называют выпрямителями (см. параграф 15.54);
• 2) преобразовать постоянный ток в переменный с помощью устройств, которые называют автогенераторами (см. параграф 15.55) и инверторами;
• 3) осуществить умножение частоты, т. е. получить на выходе четырехполюсника напряжение, частота которого в несколько раз больше частоты входного напряжения. Четырехполюсники, с помощью которых производят умножение частоты, называют умножителями частоты; устройство, удваивающее частоту, —удвоителем частоты; устройство, утраивающее частоту, —утроителем и т. д.;
• 4) произвести деление частоты, т. е. выполнить операцию, обратную умножению частоты. Четырехполюсники, используемые для этого, называют делителями частоты;
• 5) стабилизировать напряжение (ток), т. е. получить на выходе четырехполюсника напряжение (ток), почти не изменяющееся по модулю при значительном изменении входного напряжения. Такие четырехполюсники называют стабилизаторами напряжения (тока). Устройства для стабилизации напряжения в цепях постоянного тока рассмотрены в гл. 13;
• 6) осуществить триггерный эффект, т. е. эффект резкого (скачкообразного) изменения выходной величины при незначительном изменении входной. Триггерный эффект рассмотрен в параграфах 15.58 и 15.60;
• 7) произвести модуляцию. Как указывалось в параграфе 7.15, модуляция есть процесс, при котором амплитуда (фаза или частота) высокочастотного колебания, поступающего на вход четырехполюсника, преобразуется таким образом, что характер изменения ее повторяет характер изменения управляющего низкочастотного сигнала. Устройства, предназначенные для этого, называют модуляторами;
• 8) осуществить демодуляцию, т. е. выделить из высокочастотного модулированного колебания запечатленный в нем низкочастотный управляющий сигнал. Устройства для демодуляции называют демодуляторами или детекторами;
• 9) преобразовать желаемым образом форму входного напряжения. Например, при подаче на вход нелинейного четырехполюсника напряжения синусоидальной формы на его выходе можно получить напряжение прямоугольной или пикообразной формы;
• 10) произвести усиление напряжения (тока), т. е. получить на выходе нелинейного устройства напряжение значительно большее, чем управляющее напряжение на его входе. Управляющее напряжение может быть постоянным или переменным. С помощью трансформаторов также можно усиливать напряжение, однако в усилителях напряжения на нелинейных элементах энергия, потребляемая управляющей цепью, может быть в сотни, тысячи и даже сотни тысяч раз меньше энергии на выходе усилителя, тогда как в обычных трансформаторах эти энергии почти равны. Усилители напряжения на нелинейных элементах позволяют усиливать не только переменное, но и постоянное напряжение и притом с плавным изменением коэффициента усиления;
• 11) осуществить усиление мощности, т. е. выделить на выходе устройства (в нагрузке) мощность, значительно большую мощности, поступающей в управляющую цепь. Когда говорят об усилении мощности, то имеют в виду, что приращение мощности, выделяющейся в нагрузке, оказывается больше приращения мощности, потребовавшейся для изменения режима работы нелинейного элемента;
• 12) произвести степенное и логарифмическое преобразования входного напряжения (тока).

С помощью нелинейных электрических цепей кроме перечисленных можно осуществить и другие нелинейные преобразования. К их числу относится, например, плавное преобразование частоты с помощью нелинейных четырехи шестиполюсников, не содержащих подвижных частей. Рассмотрение этого преобразования выходит за рамки курса (см. [21]).

Нелинейные устройства широко применяют для умножения электрическим путем двух, трех функций и более, а также в электрических счетных и запоминающих устройствах, в качестве нелинейных фильтров, логических устройств и т. п. Несомненно, что по мере развития техники и изучения свойств нелинейных цепей последние будут находить применение для выполнения и других функций.

Если зависимость выходной величины от входной в относительно небольшом диапазоне может быть линейной или близкой к линейной, то в большинстве случаев стремятся выбрать режим работы преобразователя таким образом, чтобы работа его проходила именно на линейном участке (если это не противоречит назначению преобразователя).