Ćwiczenie 6.

Rozwiązywanie obwodów nieliniowych Zadanie:

W obwodzie przedstawionym na rysunku, rezystor nieliniowy ma charakterystykę prądowo-napięciową podaną w tablicy. Obliczyć prąd I, jeżeli E=20V, R 1=2kΩ, R 2=3kΩ, R 3=0,5kΩ.

R 1

a

E 1

R 2

R 3

b

U [V] 0 2 4 6 8 10

12 16

I [mA]

0 1,68 2,83 3,83 4,76 5,62 6,45 8,00

Rozwiązanie:

• w lewo od strony zacisków a-b obwód zastępujemy zastępczym źródłem napięcia (stosujemy tw. Thevenina) o charakterystyce liniowej i parametrach: E

20

1

U = E −

⋅ R = 20 −

⋅ 2 = 20 − 8 = 12V

0

1

1

R + R

2 + 3

1

2

R ⋅ R

2 ⋅

R

= R + 1

2 = 5

,

0 +

3 = 5,

0 + ,

1 2 = 7

,

1

Ω

k

w

3

R + R

2 + 3

1

2

• wyznaczamy punkty przecięcia charakterystyki źródła napięcia na charakterystyce prądowo-napięciowej rezystora RN

U

12

U = U = 12 V ; 0

I = I

=

=

= 06

,

7

mA

0

zw

R

7

,

1

w

Graficzne rozwiązanie zadania: z wykresu odczytujemy współrzędne punktu A przecięcia charakterystyk I=3,5mA U ab=5,9V

I [mA]

10

8

R

6

N

4

I=3,5A

A

2

U=5,9V

0

4

8

12

16

20 U[V]

U0

Zadanie:

Do źródła napięcia o E=40V i rezystancji wewnętrznej R w=15Ω włączono szeregowo rezystor nieliniowy o charakterystyce napięciowo-prądowej przedstawionej na rysunku. Jaką wartość powinien mieć rezystor R, aby w punkcie pracy rezystancja dynamiczna rezystora nieliniowego miała wartość maksymalną? Obliczyć prąd i spadki napięć na rezystorach liniowym i nieliniowym.

R=?

a

E

RN

RW

b

Rozwiązanie

40

R dyn

RN

30

20

19,6V

A

10

12

Izw =0,72A

0

0,2

0,37 0,4

0,6

0,8

1

I [A]

Izw

• Wykreślamy styczną do charakterystyki rezystancji nieliniowej o maksymalnym kącie nachylenia α

• Wykreślamy charakterystykę lewej części liniowej obwodu prowadząc prostą przez punkty: E=40V i punkt A.

• Prosta przecina os prądu w punkcie I zw=0,72 A, zatem możemy napisać: E = I

( R +

)

zw

Rw

po przekształceniu otrzymujemy

= E

R

−

= 40 V

R

−15 =

Ω

40

w

I

72

,

0

A

zw

Rezystor R powinien mieć wartość 40Ω.

Sprawdzenie

Współrzędne punktu pracy obwodu mają następujące wartości: I=0,37A, U RN=19,6V

Zatem możemy napisać:

E − I ( R + R) =

w

U RN

40-0,37(15+40)=19,6

40-20,4=19,6 V

Zadanie

Rezystancję o nieliniowej charakterystyce R(I) połączono równolegle z rezystancją liniową R1 = 20 Ω. Jaką wartość ma zastępcza rezystancja statyczna rezystorów przyłączonych do napięcia U = 10V ?

1

R

I 1

RN

I 2

I

U

Rozwiązanie

Zadanie rozwiązujemy metodą charakterystyki wypadkowej;

• Wykreślamy charakterystykę wypadkową dla dwóch rezystorów połączonych równolegle; przy stałym napięciu prąd jest sumą prądów przepływających przez rezystory – przy stałej rzędnej odcięta charakterystyki wypadkowej jest sumą odciętych charakterystyk składowych;

• Zadanemu napięciu U = 10 V odpowiadają prądy I1 = 0,5 A, I2 = 1,0 A i wypadkowy prąd I = 1,5 A.

U[V]

10

R

1

R

N

8

6

R IIR

1

N

4

2

0

0,5

1,0

1,5

I[A]

• Zastępczą rezystancję statyczną wyliczamy z zależności

= U

R

=

10

=

Ω

66

,

6

z

I +

5

,

0 + 0

,

1

1

I 2

Odp. Rezystancja statyczna układu oporników przy zasilaniu napięciem U = 10 V ma wartość 6,66Ω.

Zadania do rozwiązania

1. Zadanie

Opornik o nieliniowej charakterystyce R(I) połączono szeregowo z opornikiem liniowym R1

= 2,0 Ω. Jaką wartość ma prąd I przepływający w gałęzi, oraz jakie są spadki napięć na opornikach, napięcie na zaciskach gałęzi wynosi U = 6,0 V ?

R

1

R

N

I

Δ U

U

Δ

1

N

U

U[V]

10

8

6

RN

4

1

R

2

0

0,5

1,0

1,5

I[A]

Odp.; ΔU1 = 1.8 V, ΔUN = 4,2 V.

2. Zadanie

Obliczyć wartość prądu I oraz napięcia U na rezystancji nieliniowej RN(I), której charakterystykę przedstawiono na rysunku. Dane E = 10 V, RW = 1 Ω, R2 = 4Ω, R3 = 1Ω.

1

R

3

R

a

E

R

RN

2

R

W

b

U[V]

7,5

6,0

4,5

3,0

1,5

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

I[A]

Odp.: I = 0,6 A, U = 2,3 V.