Mittelineaarsed alalisvooluahelad (0)

2. Mittelineaarsed alalisvooluahelad
2.1 Mittelineaarne takisti Eespool , jaotises 1.4 ja 1.5 takistust ja takisteid vaadeldes eeldati, et takistit läbiv vool on võrdeline pingega ehk takistus on püsiv suurus, mille väärtus lineaarselt muutub vaid sõltuvalt temperatuurist. Niisuguste omadustega takistit nimetatakse lineaartakistiks. Elektrotehnikas ja elektroonikas on kasutusel ka mitmesugused mittelineaartakistid. Mittelineaar- takisti takistus sõltub välismõjuritest · temperatuurist ( termotakisti : termistor ja posistor ) · pingest ( varistor ) · valguskiirgusest (fototakisti) · magnetväljatugevusest (Halli andur ) · mehaanilisest deformatsioonist (tensotakisti)
Mittelineaartakistit iseloomustab tema pinge-voolu tunnusjoon . Pinge-voolu tunnusjooneks nimetatakse graafikut, mis iseloomustab voolu sõltuvust pingest I = f (U )
Lineaartakisti pinge-voolu tunnusjoon on sirge (a), mis läbib koordinaatide algpunkti ( origo ). Võrdluseks on joonisel metallniidiga hõõglambi tunnusjoon (b), mis kaldub alla, ja süsiniidiga hõõglambi tunnusjoon (c), mis kaldub üles.
Termotakisti Termotakisti takistus sõltub oluliselt ning mittelineaarselt temperatuurist. Seejuures võib temperatuuritegur olla negatiivne või positiivne. Termistor on negatiivse temperatuuriteguriga ehk NTC ( Negative Temperature Coefficient) pooljuhttermotakisti. Temperatuuri tõustes termistori takistus väheneb 2...8 % kraadi kohta. Näitena võib tuua automootori õlitemperatuuri anduri. Õli temperatuuri tõustes anduri takistus väheneb, voolutugevus ahelas kasvab ja mõõteriista osuti hälve suureneb.
35 Posistor on positiivse temperatuuriteguriga ehk PTC ( Positive Temperature Coefficient) pooljuht - termotakisti. Tööpiirkonnas, näiteks 50...200 °C, temperatuuri tõustes posistori takistus kasvab 10...20 % kraadi kohta.
Posistori kasutusnäiteks on autolaternate klaasi- puhasti ajamimootori ahel. Kui kõik on korras, siis voolutugevus on arvestatud piires. Kui aga klaasipuhasti hari on kinni jäätanud, siis mootor ei hakka pöörlema. Suure käivitusvoolu tõttu mootori mähis ja sinna paigaldatud posistor kuumeneb kiiresti. Posistori takistus tõuseb järsult ning piirab voolu. Temperatuuri tõusul 100 kraadilt 150 kraadini kasvab posistori takistus rohkem kui sajakordseks.
Varistor Varistor ehk VDC ( Voltage Dependent Resistor ) takisti on mittelineaarse pinge-voolu tunnusjoonega pooljuhttaksiti. Pinge suurenedes varistori takistus väheneb. Seda omadust kasutatakse tänapäeval eriti elektriseadmete kaitsmiseks liigpinge eest. Varistori tööpinge võib olla vahemikus 1...1000 V, töövool 1 µA ... 100 A.
Kui tekib mingi pingeimpulss, siis varistori takistus väheneb ning ta juhib liigpinge tarbijast mööda.
36 Fototakisti Fototakisti ehk LDR ( Light Dependent Resistor) takisti takistus kahaneb valguse toimel. Fototakistit kasutatakse näiteks valguse juhtimise seadmetes, näiteks hämaralüliti juhtimisskeemis. Hämaruse saabumisel releega jadamisi ühendatud fototakisti takistus suureneb, vool väheneb, lülitus- relee ennistub ning lülitab valguse sisse.
2.2 Mittelineaarne vooluahel Elektriahelat, milles on kas või üks mittelineaarne osa (takisti, element), nimetatakse mittelineaarseks. Kuna mittelineaarelemendi takistus pole konstantne , siis ei saa niisugust elementi sisaldavat ahelat arvutada Ohmi seaduse järgi. Kui elemendi (või elementide) pinge-voolu tunnusjoon(ed) on teada, võib kasutada näiteks graafilist meetodit.
2.2.1 Mittelineaarelementide jadaühendus Vaatleme kahe jadamisi ühendatud mittelineaarse elemendiga elektriahelat, mille pinge-voolu tunnus- jooned on teada.
Ahela arvutamiseks vaadeldakse nende tunnusjooni ühises koordinaatteljestikus. Jadaühenduses läbib mõlemat elementi sama vool I , pinge moodustub aga osapingete summast U = U 1 + U 2 , siis on vaja liita pinged , mis vastavad samale voolule.
37 Valime voolu I 1 ja tõmbame rõhtteljega paralleelse sirge, mis joonise mõõtkavas vastab sellele voolule. Lõigud 1-2 ja 1-3 väljendavad nüüd osapingeid U 1 ja U 2 . Nende liitmisel saabki punkti 4, mis on ühise pinge-voolu tunnusjoone punkt. Kogupinge väärtust iseloomustab nüüd lõik 1-4. Kui samamoodi toimida teistel vooluväärtustel ning saadud punktid ühendada, saabki ühise pinge-voolu tunnusjoone I = f (U ) . Saadud tunnusjoon võimaldab lahendada antud ahelat mitmel viisil. Kui näiteks on antud ahela kogupinge U , saab määrata voolu ja osapinged. Selleks tuleb rõhtteljel võtta kogupingele vastav lõik. Olgu see 0-5. Tõmmates nüüd punktist 5 ristsirge , saab lõikumisel pinge-voolu tunnusjoonega punkti 4. Selle punkti ordinaat väljendabki antud kogupingele vastavat voolutugevust . Kui läbi punkti 4 tõmmata rõhtjoon, siis saadud lõigud 1-2 (0-7) ja 1-3 (0-6) vastavad osapingetele U 1 ja U 2 .
Kui on teada näiteks osapinge U 2 , võib samamoodi leida voolu I ning pinged U 1 ja U . Kui teadaoleva voolu I korral on vaja leida pingeid, tuleb võtta püstteljel voolutugevusele vastav lõik 0-1. Kui nüüd läbi punkti 1 tõmmata rõhtjoon, väljendavad lõigud 1-2, 1-3 ja 1-4 vastavalt pingeid U 1 , U 2 ja U .
Nii saab arvutada ka ahelaid, kui jadamisi ühendatud elementide arv on suurem kui kaks. Kui on tegemist jadamisi ühendatud mittelineaarse elemendi ja lineaartakistiga R, võib ülesannet lahendada ka teisiti, mõnevõrra lihtsamalt. Selleks kantakse tunnusjooned koordinaatteljestikku nii, et ühe elemendi tunnusjoone alg- ja lõpp-punkt on omavahel vahetatud .
Kõigepealt joonestatakse mittelineaarse elemendi pinge-voolu tunnusjoon I (U ML ). Lineaartakisti osapinge on
U R =U ­ U ML ,
38 millele vastavalt U U ML I= ­ . R R Sellest avaldisest nähtub, et lineaartakisti pinge- voolu tunnusjoon kujutab sirget, mis lõikab rõhttelge punktis, kus U ML =U , see tähendab kogupingele U vastavas punktis, ja püsttelge punktis I= . R Kandes selle sirge koordinaatteljestikku, saab tunnusjoonte lõikepunktiks tööpunkti antud pingel U . Tõepoolest on see ju ainus punkt, kus mõlemas elemendis on ühesuurune vool I ja osapingete summa võrdub kogupingega U ML + U R =U .
Kui kogupinge väärtus muutub näiteks U 1 ni, siis paigutub lineaartakisti tunnusjoon endaga rööbiti ümber nii, et ta läbib rõhtteljel punkti U 1 . Joonisel tähistab seda punktiirjoon.
2.2.2 Mittelineaarelementide rööpühendus Kahe mittelineaarse elemendi rööpühenduse korral on elementide pinged võrdsed ja üldvool võrdub haruvoolude summaga
I = I1 + I 2 .
Ühise pinge-voolu tunnusjoone leidmiseks tuleb konkreetse pingeväärtuse korral liita elementide pinge-voolu tunnusjoonte vooluväärtused, nagu joonisel näha. Pingel U 1 (lõik 0­1) on voolude I 1 (1- 2) ja I 2 (1-3) summaks I lõik 1-4.
Olgu antud pinge U 1 juures vaja leida haruvoolud ja üldvool. Selleks tuleb kanda rõhtteljele pinge mõõtkavas lõik 0-1, mis on pinge U 1 väljenduseks.
39 Kui nüüd punktist 1 tõmmata rõhtjoon, väljendavad punktid 2, 3,ja 4 vastavalt voolusid I 1 , I 2 ja I .
Kui on teada näiteks ühe haru vool, näiteks I2 , saab leida pinge U ning voolud I 1 ja I . Selleks tuleb esmalt määrata püstteljel punkt 6, mille kaugus koordinaatide algpunktist väljendab mõõtkavas voolutugevust I 2 . Siis tuleb läbi selle punkti tõmmata rõhtjoon kuni lõikumiseni kõveraga I 2 = f (U ) punktis 3. Tõmmates sealt vertikaali punktini 1 saab lõigu 0-1, mis pinge mõõtkavas väljendab ahelale rakendatud pinget U . Lõik 1-2 väljendab voolu I 1 ja lõik 1-4 üldvoolu I .
Just samamoodi tuleb toimida, kui mittelineaarse elemendiga rööbiti on ühendatud lineaarne element.
40