7081

Нелинейные резистивные элементы

Лабораторная работа

Математика и математический анализ

Нелинейные резистивные элементы Цель работы: Изучение степенной (полиномиальной) и кусочно-линейной аппроксимаций вольт-амперных характеристик (ВАХ) нелинейных резистивных элементов. Изучение спектрального состава тока, протекающего через нелинейный...

Русский

2013-01-14

105 KB

39 чел.

Нелинейные резистивные элементы

Цель работы:

Изучение степенной (полиномиальной) и кусочно-линейной аппроксимаций вольт-амперных характеристик (ВАХ) нелинейных резистивных элементов. Изучение спектрального состава тока, протекающего через нелинейный элемент, под воздействием гармонического напряжения, при разных типах аппроксимации его ВАХ.

Рис.1. Вольт-амперная характеристика диода и его изображение (обозначение)

Таблица 1

Полиномиальная аппроксимация

 

 

I0

mA

Im1

mA

Im2

mA

Im3

mA

Полином

первой

степени

Реальная

ВАХ

3

2,2

0,2

0

Аппроксим.

ВАХ

3,2

1,8

0

0

Полином

второй

степени

Реальная

ВАХ

3

2,2

0,2

0

Аппроксим.

ВАХ

3

2,1

0,2

0

Полином

третьей

степени

Реальная

ВАХ

3

2,2

0,2

0

Аппроксим.

ВАХ

3

2,2

0,2

0

               

а)                                                                                          б)

Рис.2.  Графики для полинома первой степени:

а - графики формы тока (зеленого цвета для реальной ВАХ,

синего цвета  для аппроксимированной);

б - графики спектра амплитуд тока, протекающего через диод

(зеленого цвета для реальной ВАХ, синего цвета  для аппроксимированной).

График полинома первой степени:   

представляет собой прямую , параллельную оси абсцисс, и наклонную прямую  с коэффициентом наклона , смещенную по оси абсцисс на величину . Регулируя величины ,  и , можно перемещать аппроксимирующую прямую вниз, вправо и влево и менять ее наклон.

Для определения амплитуд гармоник тока подставим в выражение для напряжения, приложенного к нелинейному элементу :  .

Сравнивая это выражение с рядом Фурье

,

видим, что ;  ;  . Таким образом, при аппроксимации ВАХ полиномом 1-ой степени ток содержит кроме постоянной составляющей I0 только основную (первую) гармонику, совпадающую по частоте с приложенным гармоническим напряжением.

                 

а)                                                                                              б)

Рис.3.  Графики для полинома второй степени:

а - графики формы тока (зеленого цвета для реальной ВАХ,

синего цвета  для аппроксимированной);

б - графики спектра амплитуд тока, протекающего через диод

(зеленого цвета для реальной ВАХ, синего цвета  для аппроксимированной).

График полинома второй степени  содержит в дополнение к графику полинома первой степени квадратичную параболу , смещенную по оси абсцисс на величину . Квадратичный член служит для аппроксимации слабой нелинейности ВАХ параболического типа.

             

а)                                                                                        б)

Рис.4.  Графики для полинома третей степени:

а - графики формы тока (зеленого цвета для реальной ВАХ,

синего цвета  для аппроксимированной);

б - графики спектра амплитуд тока, протекающего через диод

(зеленого цвета для реальной ВАХ, синего цвета  для аппроксимированной).

Для описания нелинейности ВАХ высокого порядка используется полином третьей степени , в котором добавляется так называемая кубическая парабола , смещенная по оси абсцисс на величину .

Состав спектра тока в нелинейном элементе при аппроксимации ВАХ степенным полиномом определяется степенью полинома и его коэффициентами.

Определить коэффициенты, , ... , полинома можно различными способами. Наиболее распространенным способом является интерполяция (метод выбранных точек), при которой коэффициенты , , ...   находятся из равенства значений полинома и аппроксимируемой ВАХ в выбранных точках (узлах интерполяции).

, ,    ,  .

Таблица 2

Кусочно-линейная аппроксимация

I0

mA

Im1

mA

Im2

mA

Im3

mA

Реальная

ВАХ

3

2,2

0,2

0

Аппроксим.

ВАХ

2,4

2,8

0,2

0,1

а)                                                                         б)

Рис.5.  Графики для кусочно-линейной аппроксимации

при Uо =5В, Um =5В, Uотс = 3,5В и S = 1,54 мА/В:

а - графики формы тока (зеленого цвета для реальной ВАХ,

синего цвета  для аппроксимированной);

б - графики спектра амплитуд тока, протекающего через диод

(зеленого цвета для реальной ВАХ, синего цвета  для аппроксимированной).

а)                                                                                            б)

Рис.6.  Графики для кусочно-линейной аппроксимации

при Uо =2В, Um =6В, Uотс = 3В и S = 1,43 мА/В:

а - графики формы тока (зеленого цвета для реальной ВАХ,

синего цвета  для аппроксимированной);

б - графики спектра амплитуд тока, протекающего через диод

(зеленого цвета для реальной ВАХ, синего цвета  для аппроксимированной).

Спектр тока при кусочно-линейной аппроксимации ВАХ зависит от угла отсечки. В тех случаях, когда нелинейный элемент работает как вентиль: есть ток или нет тока, используют кусочно-линейную аппроксимацию ВАХ:

График тока при этом имеет вид косинусоидальных импульсов с отсечкой. Половина той части периода в радианах (или градусах), в течение которой протекает ток, называется углом отсечки и обозначен буквой .

При  напряжение . Отсюда,

  и  .

Последнее равенство показывает, что угол отсечки можно изменить, меняя напряжение смещения , амплитуду гармонического сигнала  или выбирая параметр  аппроксимирующей функции.

Периодическую последовательность импульсов тока можно разложить в ряд Фурье:

.

Постоянная составляющая и амплитуды гармоник тока вычисляются по формуле:

,   k = 0, 1, 2, 3, ... ,

Выводы:

Из рис. 2 – 4 видно, что с увеличением степени полинома при полиномиальной аппроксимации, ВАХ аппроксимации приближается к реальной ВАХ, и при полиноме третьей степени значения ВАХ аппроксимации практически равны значениям реальной ВАХ. Поэтому, погрешность аппроксимации может быть тем меньше, чем больше число варьируемых параметров, входящих в аппроксимирующую функцию ( например, чем выше степень аппроксимирующего полинома или чем больше число отрезков прямых содержит аппроксимирующая линейно-ломаная функция). Но при этом растет объем вычислений, как при решении задачи аппроксимации, так и при последующем анализе нелинейной цепи.

Из анализа кусочно-линейной аппроксимации видно, что ее целесообразней использовать при больших амплитудах гармонического напряжения, подводимого к нелинейному элементу, когда нелинейный элемент работает как вентиль: есть ток или нет тока.

Количество гармоник в спектре тока равно степени полинома, описывающего нелинейность ВАХ. Постоянная составляющая и амплитуды четных гармоник определяются коэффициентами полинома при четных степенях, а амплитуды нечетных гармоник – коэффициентами полинома при нечетных степенях.

Амплитуды спектральных составляющих тока в нелинейном элементе при кусочно-линейной аппроксимации его ВАХ зависят от угла отсечки. Количество гармоник при этом бесконечно большое. Чем меньше угол отсечки (чем уже импульс), тем медленнее убывают амплитуды гармоник тока.

  

Защита:

Задача № 1.

Дан график проходной характеристики нелинейного элемента и значения U0 = 8 В и Um = 1 В входного сигнала, по которым построен график u(t). Выбрать тип аппроксимации ВАХ и определить параметры аппроксимирующей функции: напряжение отсечки и крутизну характеристики при кусочно-линейной аппроксимации либо степень полинома и узлы интерполяции при степенной аппроксимации.

Решение:

Аппроксимировать (т.е. описывать аналитически) нужно только тот участок ВАХ, по которому перемещается рабочая точка.

Определив максимум Umax=U0+Um  и минимум Umin=U0-Um  изменения напряжения на ВАХ мы видим, что данный нелинейный участок ВАХ, можно описать, используя полином второй степени (он имеет в своем составе квадратичную параболу). Выбираем узлами интерполяции:

Полученная  ВАХ аппроксимации совпадает с реальной ВАХ, на том участке, где происходит изменение напряжения смещения. Графики формы тока для реальной ВАХ и для аппроксимированной совпадают, как и графики спектра амплитуд тока.

 

Задача № 2.

Дан график проходной характеристики нелинейного элемента и значения U0 =1 В и Um = 1 В входного сигнала, по которым построен график u(t). Выбрать тип аппроксимации ВАХ и определить параметры аппроксимирующей функции: напряжение отсечки и крутизну характеристики при кусочно-линейной аппроксимации либо степень полинома и узлы интерполяции при степенной аппроксимации.

Решение:

Определив максимум Umax=U0+Um   и минимум Umin=U0-Um   изменения напряжения на ВАХ мы видим, что нелинейность рассматриваемого участка ВАХ минимальна – значит данный участок ВАХ можно принять за линейный. Для аппроксимации используем полином первой степени (представляет собой прямую , параллельную оси абсцисс, и наклонную прямую  с коэффициентом наклона , смещенную по оси абсцисс на величину ). Выбираем узлами интерполяции:

Полученная  ВАХ аппроксимации совпадает с реальной ВАХ, на том участке, где происходит изменение напряжения смещения. Графики формы тока для реальной ВАХ и для аппроксимированной совпадают, как и графики спектра амплитуд тока.

Задача № 3.

Дана проходная ВАХ нелинейного элемента и значение напряжения смещения U0=5В. Выбрать амплитуду гармонического воздействия так, чтобы в спектральном составе была одна гармоническая составляющая.

Решение:

Для определения амплитуд гармоник тока подставим в выражение для напряжения, приложенного к нелинейному элементу :  .

Сравнивая это выражение с рядом Фурье

,

видим, что ;  ;  . Таким образом, при аппроксимации ВАХ полиномом 1-ой степени ток содержит кроме постоянной составляющей I0 только основную (первую) гармонику, совпадающую по частоте (f=0,1Гц) с приложенным гармоническим напряжением.

Получаем: Um=0,1 В

i, мА

u, B


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

26025. Тензометрия 246 KB
  Тензометрия (от лат tensus — напряжённый и греч. metron — мера) — способ измерения напряжённо-деформированного состояния конструкции. Базируется на определении напряжений и деформаций в наружных слоях детали. Прибор для измерения этих параметров называется тензометром; обычно основным элементом такого прибора является тензодатчик
26026. Основные направления реформы государственной службы Российской Федерации 42.5 KB
  Под реформой государственной службы ГС следует понимать осуществление целенаправленных преобразований результатом которых является постепенное формирование новой системы ГС либо появление у существующей системы новых качеств черт или существенных признаков. N 261 федеральная программа Реформированиеи развитие системы государственной службыРоссийской Федерации 2009 2013 годы Государственные заказчики мероприятий Программы: Министерство экономического развития Российской Федерации Министерство внутренних дел Российской Федерации...
26027. Федеральный закон «О системе государственной службы Российской Федерации»: общая характеристика и значение 64 KB
  N 25ФЗ О муниципальной службе в РФ Глава 4. На муниципальную службу вправе поступать граждане достигшие возраста 18 лет владеющие государственным языком Российской Федерации и соответствующие квалификационным требованиям установленным в соответствии с настоящим Федеральным законом для замещения должностей муниципальной службы при отсутствии обстоятельств указанных в статье 13 настоящего Федерального закона в качестве ограничений связанных с муниципальной службой. При поступлении на муниципальную службу гражданин представляет: 1...
26028. Понятие и значение государственной гражданской службы 50 KB
  Понятие и значение государственной гражданской службы. Федеральный закон О системе государственной службы Российской Федерации определяет государственную службу как профессиональную служебную деятельность граждан РФ по обеспечению исполнения полномочий: Российской Федерации и ее субъектов; федеральных органов государственной власти иных федеральных государственных органов федеральных государственных органов и органов государственной власти субъектов РФ иных государственных органов субъектов РФ государственных органов субъектов РФ;...
26029. Поступления на государственную гражданскую службу 45.5 KB
  21 Одним из принципов государственной гражданской службы является равный доступ граждан владеющих государственным языком Российской Федерации к гражданской службе и равные условия ее прохождения независимо от пола расы национальности происхождения имущественного и должностного положения места жительства отношения к религии убеждений принадлежности к общественным объединениям а также от других обстоятельств не связанных с профессиональными и деловыми качествами гражданского служащего. На гражданскую службу вправе поступать граждане...
26030. Должности государственной гражданской службы, их группы и категории 60 KB
  Должности государственной гражданской службы их группы и категории. Должности федеральной государственной гражданской службы учреждаются федеральным законом или указом Президента Российской Федерации в целях обеспечения исполнения полномочий государственного органа либо лица замещающего государственную должность. статьи 89 должности государственной гражданской службы подразделяются на четыре категории и пять групп. Должности государственной гражданской службы подразделяются на следующие группы: высшие должности; главные должности; ведущие...
26031. Служебный контракт на государственной гражданской службе: понятие, содержание и значение 66 KB
  Согласно статьи 23 Служебный контракт соглашение между представителем нанимателя и гражданином поступающим на гражданскую службу или гражданским служащим о прохождении гражданской службы и замещении должности гражданской службы. Представитель нанимателя обязуется предоставить гражданину поступающему на гражданскую службу возможность прохождения гражданской службы а также предоставить указанному гражданину или гражданскому служащему возможность замещения определенной должности гражданской службы обеспечить им прохождение гражданской...
26032. Должностной регламент государственного гражданского служащего 51 KB
  В должностной регламент включаются: 1 квалификационные требования к уровню и характеру знаний и навыков предъявляемые к гражданскому служащему замещающему соответствующую должность гражданской службы а также к образованию стажу гражданской службы государственной службы иных видов или стажу опыту работы по специальности; 2 должностные обязанности права и ответственность гражданского служащего за неисполнение ненадлежащее исполнение должностных обязанностей в соответствии с административным регламентом государственного органа...
26033. Права и обязанности гражданского служащего 55 KB
  № 79ФЗ О государственной гражданской службе Российской Федерации иными нормативными правовыми актами РФ и условиями служебного контракта; получение в установленном порядке информации и материалов необходимых для исполнения должностных обязанностей а также на внесение предложений о совершенствовании деятельности государственного органа; доступ в установленном порядке к сведениям составляющим государственную тайну необходимым для исполнения должностных обязанностей; доступ в установленном порядке в связи с исполнением должностных...