Qué es un elemento no lineal. Elementos no lineales. Circuitos eléctricos no lineales

Si un adiccion U(I) o I(U lineal y su resistencia R es constante ( R = con onst ) entonces tal elemento son llamados lineal (LE) , y el circuito eléctrico que consta de solo a partir de elementos lineales - circuito eléctrico lineal .

Característica I - V de un elemento lineal simétrico y es una línea recta que pasa por el origen (Fig. 16, curva 1). Así, la ley de Ohm se cumple en circuitos eléctricos lineales.

Si un adiccion U(I) o I(U) de cualquier elemento del circuito eléctrico no lineal, y su resistencia depende de la corriente en él o el voltaje en sus terminales ( R ≠ con onst ) entonces tal elemento son llamados no lineal (NE) , y el circuito eléctrico, si hay al menos uno elemento no lineal - circuito eléctrico no lineal .

Características I - V de elementos no lineales oblicuo, y en ocasiones puede ser asimétrico, por ejemplo, en dispositivos semiconductores (Fig. 16, curvas 2, 3, 4). Por lo tanto, en circuitos eléctricos no lineales, la relación entre corriente y voltaje no obedece Ley de Ohm.

Higo. 16. Característica I - V de elementos lineales y no lineales:

curva 1- VAC LE (resistencia); curva 2- CVC NE (lámparas incandescentes con filamento metálico); curva 3- VAC NE (lámparas incandescentes con filamento de carbono;

curva 4- VAC NE ( diodo semiconductor)

Un ejemplo el elemento de línea es resistor.

Ejemplos de los elementos no lineales son: lámparas incandescentes, termistores, diodos semiconductores, transistores, lámparas de descarga de gas, etc. Símbolo El NE se muestra en la Fig. 17.

Por ejemplo, con un aumento en la corriente que fluye a través del filamento metálico de una lámpara eléctrica, aumenta su calentamiento y, por lo tanto, aumenta su resistencia. Por tanto, la resistencia de una lámpara incandescente no es constante.

Considere el siguiente ejemplo. Se dan tablas con los valores de las resistencias de los elementos a varios valores de corriente y voltaje. ¿Cuál de las tablas corresponde a un elemento lineal, cuál es un elemento no lineal?

Tabla 3

R, Ohm

Cuadro 4

R, Ohm

Responda la pregunta, ¿cuál de las gráficas representa la ley de Ohm? ¿A qué elemento corresponde este gráfico?

1 2 3 4

¿Qué pasa con los gráficos 1, 2 y 4? ¿Qué elementos caracterizan estos gráficos?

Un elemento no lineal en cualquier punto de la característica I - V se caracteriza por una resistencia estática, que es igual a la relación de voltaje a corriente correspondiente a este punto (Fig. 18). Por ejemplo, para el punto pero :

.

Además de la resistencia estática, un elemento no lineal se caracteriza por una resistencia diferencial, que se entiende como la relación de un incremento de voltaje infinitamente pequeño o muy pequeño ∆U al correspondiente incremento ∆I (Fig. 18). Por ejemplo, para el punto pero La característica I - V se puede escribir

Dónde β - el ángulo de inclinación de la tangente trazada a través del punto pero .

Estas fórmulas forman la base del método analítico para calcular los circuitos no lineales más simples.

Veamos algunos ejemplos. Si la resistencia estática del elemento no lineal a un voltaje de U 1 = 20 V es 5 Ohm, entonces la corriente I 1 será ...

La resistencia estática de un elemento no lineal a una corriente de 2 A será ...

Conclusión sobre la tercera pregunta: distinguir entre elementos lineales y no lineales de un circuito eléctrico. La ley de Ohm no se cumple en elementos no lineales. Los elementos no lineales se caracterizan en cada punto de la característica I - V por resistencia estática y diferencial. Los elementos no lineales incluyen todos los dispositivos semiconductores, lámparas de descarga de gas y lámparas incandescentes.

Pregunta No. 4. Método gráfico para calcular no lineal

circuitos eléctricos (15 min.)

Para el cálculo de circuitos eléctricos no lineales, se utilizan métodos de cálculo gráficos y analíticos. El método gráfico es más sencillo y lo consideraremos con más detalle.

Deje que la fuente EMF mi con resistencia interna r 0 alimenta dos resistencias o elementos no lineales conectados en serie HC1 y HC2 ... Conocido mi , r 0 , VAC 1 НС1 y CVC 2 HC2. Se requiere determinar la corriente en el circuito. I norte

Primero, construimos la característica I - V de un elemento lineal r 0 ... Esta es una línea recta que pasa por el origen. La tensión U que cae sobre la resistencia del bucle está determinada por la expresión

Para construir dependencia U = F ( I ) , es necesario agregar la característica I - V gráficamente 0, 1 y 2 , sumando las ordenadas correspondientes a una abscisa, luego a otra, etc. Obtenemos la curva 3 , que es la característica I - V de todo el circuito. Usando esta característica I - V, encontramos la corriente en el circuito I norte correspondiente al voltaje U = mi ... Luego, usando el valor actual encontrado, de acuerdo con la característica I - V 0, 1 y 2 encontrar el voltaje requerido U 0 , U 1 , U 2 (figura 19).

Deje que la fuente EMF mi con resistencia interna r 0 alimenta dos resistencias o elementos no lineales conectados en paralelo HC1 y HC2 Cuyas características I - V se conocen. Se requiere determinar la corriente en las ramas del circuito. I 1 y I 2 , caída de voltaje a través de la resistencia interna de la fuente y en elementos no lineales.

Construimos el CVC I norte = F ( U ab ) . Para hacer esto, agregue la característica I - V gráficamente 1 y 2 , sumando las abscisas correspondientes a una ordenada, luego a otra ordenada, etc. Construimos la característica I - V de todo el circuito (curva 0,1,2 ). Para hacer esto, agregue la característica I - V gráficamente 0 y 1,2 sumando las ordenadas correspondientes a determinadas abscisas.

Usando esta característica I - V, encontramos la corriente en el circuito I norte correspondiente al voltaje U = mi .

Yo uso VAC 1,2 , determinamos el voltaje U ab correspondiente a la corriente encontrada I norte , y la caída de voltaje interna U 0 correspondiente a esta corriente. Luego, usando la característica I - V 1 y 2 encontrar las corrientes requeridas I 1 , I 2 correspondiente al voltaje encontrado U ab (figura 20).

Considere los siguientes ejemplos.

Con conexión en serie de resistencias no lineales con características R 1 y R 2, si la característica de la resistencia equivalente R E ...

pasará por debajo de la característica R 1

pasará por encima de la característica R 1

pasará, correspondiente a la característica R 1

pasará por debajo de la característica R 2

Con una conexión en serie de resistencias lineales y no lineales con características ayb, la característica de la resistencia equivalente ...

pasará por debajo de la característica a

pasará por encima de la característica a

pasará, correspondiente a la característica a

pasará por debajo de la característica b

Conclusión sobre la cuarta pregunta: Los circuitos eléctricos de CC no lineales forman la base de los circuitos electrónicos. Hay dos métodos para calcularlos: analítico y gráfico. El método de cálculo gráfico facilita la determinación de todos los parámetros necesarios del circuito no lineal.

Contenido... Elementos no lineales. Saturación de materiales magnéticos. Ferroeléctricos, varistores y posistores. Resistencias no lineales. Diodo semiconductor y su característica I - V. El concepto del dispositivo de transistores bipolares y tiristores. Regulador de voltaje lineal. El principio de funcionamiento de un transistor de efecto de campo y un transistor bipolar de puerta aislada (IGBT).

Los valores de los elementos R, C, L se introdujeron como coeficientes entre corriente y voltaje (R), carga y voltaje (C) y flujo magnético y corriente (L). Además, a partir de estas relaciones, se formuló la ley de Ohm generalizada.

Al considerar los problemas más simples, se asumió que estos valores no dependen de la energía electromagnética que fluye a través de estos elementos. Y con gran placer manipulamos los denominados elementos lineales e incluso seleccionamos los correspondientes componentes "lineales".

Sin embargo, ¡los componentes lineales no existen en la naturaleza!

Pueden tener parámetros aproximadamente lineales solo en un cierto rango de corrientes y voltajes. Cualquier sustancia, que entra en acción de campos electromagnéticos, de una forma u otra, cambia su estructura y, en consecuencia, sus características físicas, a saber, resistividad, permeabilidad dieléctrica y magnética, e incluso forma geométrica. Por lo tanto, los parámetros de los componentes hechos de estos materiales también cambian, ya que R = rl / s; C "es / l; L "ms / l. Si estos cambios no son significativos, entonces estamos hablando de la linealidad de los elementos y los componentes correspondientes. De lo contrario, es necesario tener en cuenta estos cambios y luego deberíamos hablar de elementos y componentes no lineales.

Los UGO de elementos no lineales en circuitos equivalentes son los siguientes:

resistencia no lineal

inductor con núcleo magnético

condensador no lineal - varicap

Los elementos no lineales se utilizan ampliamente en circuitos eléctricos para cambiar la forma de una señal, es decir, para excitar o absorber ciertos armónicos que componen la señal.

Desde un punto de vista matemático, en este caso, los coeficientes compuestos por R, C, L dependen de parámetros desconocidos (corriente y voltaje), y las ecuaciones de energía, compiladas según las reglas de Kirchhoff, se convierten en no lineal con todas las consiguientes consecuencias para los cálculos.

Los métodos más comunes para resolverlos son:

- aproximación cuando la dependencia no lineal conocida del valor del elemento de la corriente o voltaje se aproxima por segmentos de funciones lineales y se obtienen soluciones de ecuaciones lineales para cada una de ellas;

- método gráfico cuando las ecuaciones resuelven gráficamente utilizando

dependencias gráficas no lineales conocidas de un elemento en la corriente o voltaje;

- método de la máquina, cuando la dependencia no lineal del valor del elemento de la corriente o voltaje se aproxima mediante una función matemática modelo y las ecuaciones no lineales integro-diferenciales se resuelven por métodos numéricos.

inductancia no lineal en uso de ingeniería eléctrica características web-amperios, que son análogas a las curvas de histéresis de histéresis para materiales ferromagnéticos que a los físicos les gusta aplicar. Si en la característica de Weber-amperios L = dY / dI, entonces en las curvas HV m = dB / dH, pero Y = NBS, y H »I / r. A veces usan característica de voltio-segundo, ya que Y = òUdt.

Al aproximar, esta característica se suele dividir en partes: antes de la saturación, es una línea recta con pendiente m =dB /dH, y después de la saturación en Vm esta es una linea recta con m = 1... Valores de magnetización residual ENr y fuerza coercitiva NS determinar el área ocupada por el bucle de histéresis, es decir, las pérdidas activas debido a la inversión de magnetización. Por tanto, en la mayoría de los casos, pueden tenerse en cuenta introduciendo un elemento resistivo en el circuito y excluirse de la aproximación de la característica de Weber-amperio.

El modo de funcionamiento de los inductores con características lineales se selecciona dentro de los límites de grandes valores de mo L. En esta área, dispositivos magnéticos como inductores para almacenar energía magnética, transformadores para transmitir energía a través del acoplamiento magnético de las bobinas, y funcionan los motores eléctricos. Al mismo tiempo, el efecto de no linealidad de los materiales magnéticos es muy utilizado para crear amplificadores magnéticos, estabilizadores ferrorresonantes e incluso elementos clave magnéticos, en los que se utilizan materiales magnéticos con la denominada característica magnética rectangular, donde m puede alcanzar valores. De 50 o más. Actualmente, se utilizan principalmente 3 tipos de materiales magnéticos en inductores: acero electrico, hierro amorfo (metavidrio) y ferritas con curvas de histéresis muy variadas.

Históricamente, los inductores no lineales fueron los primeros en crearse debido a la disponibilidad y el bajo costo de los materiales magnéticos, así como a su facilidad de fabricación. Se diferencian, en primer lugar, en su fiabilidad, pero tienen grandes características de peso y tamaño y, en este sentido, alta inercia. La pérdida por inversión de magnetización y la pérdida activa por devanados de calefacción también son un problema grave, especialmente en la ingeniería eléctrica de potencia. Por tanto, en la actualidad, el uso de inductores no lineales es limitado.

Para representar la dependencia capacidad no lineal usar colgante-voltio características, ya que C = dQ / dU.

Son similares a las características ferromagnéticas de Weber-amperios, solo que aquí hay la constante dieléctrica e = dD / dE, donde D es inducción eléctrica o desplazamiento eléctrico.

Los dieléctricos más interesantes para crear condensadores no lineales son ferroeléctricos, como la sal de Rochelle (tartrato de potasio-sodio), titanato de bario, titanato de bismuto, etc. Debido a la estructura de dominio de los dipolos eléctricos, poseen en bajos voltajes constante dieléctrica alta con e »1000, que disminuye con el aumento de voltaje, similar a la permeabilidad magnética de los ferroimanes. Por lo tanto, en la literatura extranjera, recibieron el nombre ferroeléctricos... Estos materiales se utilizan ampliamente para crear elementos capacitivos lineales como condensadores cerámicos con una alta densidad específica de energía eléctrica almacenada, donde operan en la región insaturada de la característica de voltaje de culombio. La no linealidad se utiliza para crear condensadores variables, varicond que tienen una aplicación limitada.

En un campo alterno en ferroeléctricos, hay un cambio en la dirección del momento eléctrico de los dipolos, que están enlazados en grandes dominios ubicados en estructuras cristalinas. Esto conduce a un cambio en las dimensiones geométricas del cristal, el llamado efecto electrostricción... Los materiales magnéticos tienen un efecto similar. magnetostricción pero es difícil de usar debido al devanado externo. En algunos grupos de cristales ferroeléctricos se observan efectos similares a la electroestricción. eso piezoeléctrico directo efecto: la aparición de un campo eléctrico (polarización) en un cristal tras la deformación mecánica, y espalda- deformación mecánica cuando aparece un campo eléctrico. Estos materiales cristalinos se denominan piezoeléctrico, y han encontrado tremendos usos. El efecto directo se utiliza para obtener altos voltajes, en transductores primarios de fuerzas mecánicas (por ejemplo, micrófonos, pastillas en sistemas mecánicos de grabación de sonido), etc. El efecto inverso se utiliza en emisores de sonido y ultrasónicos, en sistemas de posicionamiento ultrapreciso ( posicionador para mover el cabezal del disco duro), etc. Ambos efectos se utilizan al crear resonante osciladores de cristal , donde los tamaños de los cristales se seleccionan de tal manera que las vibraciones mecánicas estén en resonancia con las eléctricas. Con un factor de calidad muy alto de dicho sistema, se garantizan la estabilidad y precisión del ajuste de frecuencia del generador. Dos de estos cristales, que tienen una comunicación sólida, pueden transmitir energía eléctrica sin acoplamiento galvánico, por lo que se denominan piezotransformadores.

La estructura del dominio de los dipolos eléctricos y magnéticos decae a una cierta temperatura, llamada punto de Curie. En este caso, se produce una transición de fase y la conductividad del ferroeléctrico cambia significativamente. Sobre esta base, actuar posistores, en el que, con una aleación adicional del material, se puede establecer un cierto punto de Curie. Después de alcanzar esta temperatura, la tasa de aumento de la resistencia puede alcanzar 1 kOhm / deg.

Esencialmente lo es resistencia no lineal que tiene una forma de S o "llave" característica corriente-voltaje (VAC).

Es decir, este elemento puede funcionar como un interruptor eléctrico controlado por una corriente de paso o temperatura externa.

Los posistores son muy utilizados para proteger contra sobrecargas de corriente en redes telefónicas analógicas, así como para descargar energía magnética de bobinas cuando están apagadas, arranque suave de motores, etc. Han encontrado una aplicación bastante interesante como elementos generadores de calor regulables calentadores de ventilador, en los que el elemento en sí se encuentra a una temperatura casi constante, y la potencia eléctrica consumida se mantiene automáticamente igual a la potencia calorífica disipada. Es decir, la velocidad del ventilador se puede controlar mediante la salida de calor de dicho dispositivo de calentamiento.

Con otro tipo de dopaje de un ferroeléctrico, es posible lograr el efecto de una dependencia no lineal de su conductividad en el voltaje, es decir, esto es en realidad resistencia no lineal llamada varistor... Este efecto se debe a un cambio en la conductancia de capas delgadas de materia que rodean los dominios a un cierto voltaje. Por tanto, se caracterizan por característica corriente-voltaje, donde la función U (I) se puede representar mediante un polinomio de quinto grado. Es conveniente caracterizar resistencias no lineales con resistencia estática Rst = U / I y resistencia diferencial Rd = dU / dI. Puede verse que en la sección lineal Rst ~ Rd, en la sección no lineal Rst £ Rd.

Su principal aplicación es la protección de circuitos eléctricos contra las emisiones de conmutación de sobretensiones peligrosas. En el varistor, la energía de tal oleada se convierte en energía activa y calienta su masa. Por lo tanto, los varistores se distinguen por dos parámetros principales: el voltaje al que se rompe la característica I - V y la energía que el elemento puede absorber sin interrumpir su rendimiento.

Resistencias no lineales de todo tipo ocupan un lugar importante en la ingeniería eléctrica moderna. En términos generales, cualquier conductor es no lineal. Si se pasa una corriente a través de un cable de cobre ordinario, al principio su resistencia, como se conoce, cambiará como R0 (1 + αT). Esta dependencia persistirá hasta que el alambre se derrita y luego la resistencia permanecerá constante hasta que el material se evapore. Y en este estado, el cable se convierte en un aislante.

La resistencia del conductor R es inversamente proporcional a la densidad de corriente, por lo tanto, la resistencia del conductor de cobre desnudo se considera lineal hasta la densidad de corriente. 10 A / mm2 ... Con el deterioro de la eliminación de calor del conductor, este valor disminuye. Por ejemplo, en el devanado de un inductor, este valor puede estar al nivel de 2 A / mm2. Dado que cuando se superan estos valores de la densidad de corriente se produce una liberación creciente de energía térmica que conduce a su fusión, se consideran valores de densidad de corriente admisibles y se utilizan al elegir secciones de conductor seguras.

Este principio es utilizado por fusibles la sección transversal del conductor en la que corresponde al valor límite de la corriente que lo atraviesa. Pero si se coloca una potencia de más de 1010 W / g en el alambre, entonces la evaporación, sin pasar por la etapa de fusión, seguirá a la adiabática y la onda de presión del gas que se evapora de la superficie creará densidades de sustancia colosales dentro del material. Al mismo tiempo, fue posible liberar átomos de oro de su capa de electrones y llevar a cabo reacciones termonucleares.

A un cierto voltaje suficiente para la aparición de un número suficiente de portadores en el gas cargas eléctricas, una corriente eléctrica comienza a fluir en el espacio de gas. Este fenómeno se llama descarga de gas, y el espacio de descarga de gas en sí mismo se puede considerar como una resistencia no lineal con la siguiente característica I - V.

Los dispositivos de descarga de gas están muy extendidos en calidad e indicadores, máquinas de soldar y unidades de fusión, interruptores eléctricos y reactores plasma-químicos, etc.

En 1873, F. Guthrie descubrió el efecto de la conductividad no lineal en un tubo de vacío con un cátodo termoiónico. Cuando el cátodo estaba en un potencial negativo, sus electrones creaban una corriente eléctrica, y con la polaridad opuesta, estaban bloqueados en el cátodo y prácticamente no había portadores en la lámpara. Por mucho tiempo este efecto no tuvo demanda hasta que, en 1904, las necesidades de la ingeniería de radio llevaron a la creación de un diodo termoiónico (vacío). Y dado que en un dispositivo de este tipo el campo eléctrico es responsable de la conductividad, la introducción de pequeños potenciales adicionales permite controlar el flujo de electrones, es decir descarga eléctrica... Por lo tanto, la resistencias no lineales controladas por campo eléctrico (tubos de radio), que reemplazó a los sistemas magnéticos no lineales grandes, inerciales y controlados por corriente. Las principales desventajas de los tubos de radio eran el cátodo incandescente, que requería una fuente de energía separada y una refrigeración adecuada, así como dimensiones bastante grandes debido al matraz de vacío.

Por lo tanto, casi simultáneamente con el diodo de vacío (termoiónico), se creó un diodo de estado sólido basado en pag-n transición, que se forma en el punto de contacto de dos semiconductores con diferentes tipos conductividad. pero dificultades tecnológicas la producción de materiales semiconductores puros retrasó un poco la introducción de estos elementos en relación con los tubos de radio.

Cuando dos regiones con diferentes tipos de conductividad entran en contacto, los portadores de carga de ellas penetran (difunden) mutuamente en la región vecina, donde no son los portadores mayoritarios. En este caso, los aceptores no compensados ​​(cargas negativas) permanecen en la región p, y los donantes no compensados ​​( cargas positivas), cual forma región de carga espacial(SCR) con un campo eléctrico que evita una mayor difusión de los portadores de carga. En la zona pag-n transición El equilibrio se crea con la diferencia de potencial de contacto, que es de 0,7 V para el silicio ampliamente utilizado en dispositivos semiconductores.

Cuando se conecta un campo eléctrico externo, este equilibrio se altera. Con el sesgo directo ("+" en la región de tipo p), el ancho de SCR disminuye y la concentración de portadores minoritarios aumenta exponencialmente. Son compensados ​​por los principales portadores que vienen a través de contactos del circuito externo, lo que crea corriente continua que aumenta exponencialmente a medida que aumenta el voltaje de polarización directa.

Con un sesgo inverso ("-" en la región de tipo p), el ancho de SCR aumenta y la concentración de portadores minoritarios disminuye. Los principales transportistas no entran en esta zona, pero los corriente inversa es causado solo por la eliminación de portadores minoritarios del SCR y no depende del voltaje aplicado. Las corrientes directa e inversa pueden diferir en un factor de 105-106, formando una no linealidad significativa de la característica IV. Cuándo un cierto significado del voltaje inverso, los portadores de carga durante su libre movimiento pueden adquirir energía suficiente para formar nuevos pares de cargas cuando chocan con los neutrales, que a su vez ganan energía y participan en la creación de nuevos pares. La corriente de avalancha resultante barre todas las barreras potenciales en su camino, convirtiendo el semiconductor en un conductor ordinario.

Diodo semiconductor UGO

Forma típica de la característica I - V de una unión p-n (diodo)

Una aproximación de un diodo "ideal" es un interruptor eléctrico ideal controlado por polaridad de voltaje. Sin embargo, esto no tiene en cuenta parámetros como:

1) Caída de tensión directa cuando fluye una corriente continua, que en muchos dispositivos reales es 1 -1,5 V, y esto conduce a pérdidas activas P = (1¸1,5) I y, en consecuencia, a calentar el elemento y limitar las corrientes para un elemento en particular. La solución de problemas térmicos para enfriar dispositivos semiconductores, así como su estabilidad térmica, son uno de los principales problemas en el diseño de dispositivos eléctricos. La dependencia inversamente proporcional de la caída de tensión directa de la temperatura limita el uso de dispositivos con uniones pn en conexiones en paralelo.

2) Corrientes inversas, que sólo pueden despreciarse si son varios órdenes de magnitud menores que las corrientes directas.

3) Voltaje de ruptura de avalancha, que determina el límite de rendimiento del elemento a tensión inversa, al que se debe prestar atención, especialmente en el funcionamiento pulsado con elementos inductivos. Sin embargo, el espesor total de la matriz limita los voltajes inversos a 1 - 2 kV. Un aumento adicional en la tensión inversa es posible solo con el ensamblaje secuencial de elementos con ecualización de corrientes inversas.

4) Características del tiempo, En particular tiempo de recuperación(el momento de la transición del estado conductor al no conductor), que es en realidad el momento de la eliminación de los portadores minoritarios del SCR y su expansión. Y este parámetro está determinado por procesos difusos con duraciones características de 10-5 s. Al simular características de impulso en circuitos equivalentes a diodos, se utilizan 2 elementos capacitivos: capacidad de barrera, que está determinada por el tamaño del SCR y la carga espacial (es significativa en voltajes inversos), así como capacidad difusa, que está determinada por la concentración de las portadoras mayoritarias y minoritarias (es significativa con una caída de tensión directa). La capacidad difusa determina los tiempos de acumulación y reabsorción de una carga de desequilibrio en el SCR y puede alcanzar un valor de varias decenas de nanofaradios. Desarrollo procesos tecnológicos en la fabricación de diodos permitió afectar significativamente respuesta impulsiva y reducir el tiempo de recuperación a decenas de nanosegundos en diodos rápidos y ultrarrápidos.

Por lo tanto, desarrollado para el programa Spice. modelo matemático un diodo semiconductor real y sus modificaciones posteriores es una expresión matemática bastante compleja que incluye hasta 30 constantes establecidas por el usuario para simular un elemento específico.

El trabajo para reducir la caída de tensión directa ha llevado a la creación de Diodos Schottky, en el que la unión p-n es reemplazada por una barrera Schottky formada por un par metal-semiconductor. Esto hizo posible reducir el tamaño del SCR y reducir aproximadamente a la mitad la caída de voltaje directo, pero al mismo tiempo, el voltaje inverso permitido (< 250 В) и увеличились обратные токи. При этом улучшились импульсные характеристики, что позволило применять эти диоды при частотах до 100 кГц.

Fuerte disminución resistencia dinámica(Rd = dU / dIt) a una tensión de ruptura inversa permite el uso de diodos como estabilizadores de tensión, como varistores. Pero los diodos, a diferencia de los varistores, tienen valores de resistencia dinámica más bajos. Sin embargo, debe tenerse en cuenta que en el modo de estabilización en el SCR de la unión p-n, la energía se libera igual a P = Ul. pr × I. Por lo tanto, Diodos Zener y diodos de avalancha con unión p-n reforzada en términos de resistencia al calor y en su base Diodos Zener.

Cuando una corriente continua pasa a través del SCR, los portadores de carga se recombinan con la emisión de un fotón, cuya longitud de onda está determinada por el material semiconductor. Variando la composición de este material y el diseño del elemento, es posible crear LED con coherente diodos láser) y radiación incoherente para un rango espectral muy amplio, desde la luz ultravioleta hasta la infrarroja.

El desarrollo de la tecnología de semiconductores ha llevado a la creación transistor bipolar, que son tres capas de material semiconductor con diferentes tipos de conductividad, n-p-n o p-n-p. Estas capas se denominan colector-base-emisor. Así, obtuvimos 2 uniones p-n consecutivas, pero con conductividad multidireccional. Para lograr el efecto transistor, es necesario que la conductividad del emisor sea mayor que la conductividad de la base, y el grosor de la base sea comparable al ancho del SCR de la unión colector-base con conductividad inversa. Para trabajar n-p-n del transistor de acuerdo con el esquema con una base común, el polo positivo de la fuente está conectado al colector, el polo negativo está conectado al emisor y la unión base-emisor se abre con una fuente adicional. Al mismo tiempo en delgado capa base los portadores minoritarios, los electrones, comenzarán a fluir. Algunos de ellos, bajo la influencia del potencial positivo del colector, pasarán por la unión cerrada base-colector, provocando un aumento de la corriente del colector como corriente inversa a través de esta unión. Además, la corriente del colector puede ser varios cientos de veces mayor que la corriente base ( efecto transistor).

Por lo tanto, se puede pensar en un transistor bipolar como una resistencia no lineal controlada por una corriente de base.

Los transistores bipolares UGO son los siguientes:

Característica I - V de un transistor bipolar o la dependencia de la corriente del colector de la tensión colector-emisor UCE (IC) para un transistor 2N2222 a diferentes corrientes de base.

Por lo tanto, la corriente de colector está determinada por la corriente de base, pero esta dependencia a corrientes de base bajas es significativamente no lineal. Este es el llamado modo activo.

A altas corrientes de base, cuando se logra la apertura completa de la unión colector-base, el transistor entra en saturación con una caída de voltaje mínimo colector-emisor igual a la diferencia de potencial de contacto doble "1.2¸1.4 V (dos series abrir p-n transición). Obtenemos modo saturado.

Esto implica 2 posibilidades de uso de transistores: en modo activo, como amplificador, y en modo saturado - como llave electrica.

Considere como ejemplo el uso de un transistor en modo activo: regulador lineal destaca.

En este circuito, el transistor está conectado de acuerdo con un circuito colector común, es decir, las fuentes de corriente de colector y corriente de base están conectadas por un punto común y la corriente de control ingresa a la base a través de la resistencia Rv. Dado que la unión base-emisor está abierta, podemos suponer que la caída de voltaje a través de ella no depende de la corriente y es igual a la barrera de potencial UBE = 0.6-0.7V. En ausencia de un diodo Zener DZ, el voltaje de salida está de acuerdo con la regla del divisor de voltaje UOUT ~ UIN RL / RV + RL. El diodo Zener DZ mantiene un nivel de voltaje constante basado en UZ. Pero entonces UOUT = UZ - UBE es un valor constante y no depende del voltaje de entrada y la corriente de carga. Cuándo corriente continua carga y, en consecuencia, la corriente de base, cualquier aumento en el voltaje de entrada Uin no cambiará la corriente del colector, ya que la resistencia dinámica de la unión colector-base en el modo activo del transistor es cercana a ¥. Al mismo tiempo, un cambio en la corriente de carga simplemente conducirá a un cambio en la corriente base y, en consecuencia, a un cambio en la corriente del colector.

El funcionamiento de un transistor bipolar en modo de saturación requiere la presencia de grandes corrientes de control, acordes en magnitud y duración con las corrientes conmutadas. Por lo tanto, se sugirió tiristor que consta de 4 p-n-p-n consecutivos capas.

Cuando se enciende la corriente de control, la primera unión pn (emisor base del transistor Q1) se abre y los electrones del emisor comienzan a penetrar a través de segundo p-n empalme (colector base del transistor Q1). Esto abre tercer p-n unión (emisor de base transistor pnp a Q2) y, en consecuencia, la segunda unión p-n (colector base del transistor Q2). Esto asegura que la corriente fluya hacia la primera unión pn y que la corriente de control ya no sea necesaria. La profunda conexión entre todas las transiciones asegura su saturación.

Por lo tanto, con un pulso corto de la corriente de control, logramos transferir el sistema a un estado saturado con una caída de voltaje de aproximadamente 2 V.Para apagar la corriente en esta estructura, es necesario reducirla a 0, y esto se obtiene simplemente con una señal armónica. Como resultado, obtuvimos potentes interruptores semiconductores para redes de CA, controlados por pulsos cortos al comienzo de cada medio ciclo.

También es posible cambiar la conductividad de una estructura semiconductora aplicándole un campo eléctrico, lo que creará portadores adicionales para la corriente. Estos transportistas al mismo tiempo el principal y no necesitan difundirse en ningún lado. Esta circunstancia ofrece dos ventajas sobre las estructuras bipolares.

En primer lugar, los tiempos de cambio de conductividad disminuyen, y en segundo lugar, el control se realiza mediante una señal de potencial a corriente prácticamente nula, es decir, la corriente principal es prácticamente independiente de la corriente de control. Y una ventaja más surgió debido a la homogeneidad de la estructura semiconductora controlada por un campo eléctrico: este es un coeficiente de temperatura positivo de resistencia, que hizo posible fabricar estas estructuras por medio de microelectrónica en forma de microcélulas separadas (hasta varias millones por cm2) y, si es necesario, conectarlos en paralelo.

Los transistores creados según este principio se denominan campo(en literatura extranjera FET o transistor de emisión de campo). Desarrollado actualmente un gran número de varios diseños de tales dispositivos. Considerar Transistor de efecto de campo con una puerta aislada, en la que el electrodo de control ( portón), separada del semiconductor por una capa aislante, generalmente óxido de aluminio. Este diseño se llama MOS (semiconductor de óxido de metal) o MOS (semiconductor de óxido de metal). El espacio de un semiconductor, donde se forman portadores adicionales bajo la influencia de un campo eléctrico, se llama canal, la entrada y salida a las que, respectivamente, se denominan fuente y escapada... Dependiendo de la tecnología de fabricación, los canales pueden ser inducidos (se crea p-conductividad en el material n o viceversa) o incorporados (se crea un espacio con p-conductividad en el material n, o viceversa). La figura muestra un diseño horizontal típico de un transistor MOS con un canal p inducido e integrado.

Transistor UGO MIS

Aquí están las características de transferencia del transistor BUZ11, a saber, la dependencia de la corriente de drenaje y el voltaje de la fuente de drenaje en el valor del voltaje de la puerta. Se puede ver que la apertura del transistor comienza con un cierto valor de Uthr y rápidamente entra en saturación.

Aquí está la característica estática del transistor BUZ11, a saber, la dependencia de la corriente de drenaje en el voltaje de la fuente de drenaje. Las marcas indican los puntos de transición al modo de saturación.

La estabilidad de los transistores de efecto de campo a las sobrecargas de corriente, una alta resistencia de entrada, que puede reducir significativamente las pérdidas de control, una alta velocidad de conmutación, un coeficiente de resistencia de temperatura positivo, todo esto permitió que los dispositivos controlados en campo no solo reemplazaran prácticamente a los dispositivos bipolares, sino también para crear una nueva dirección en ingeniería eléctrica - electrónica de potencia inteligente, donde el control de los flujos de energía de casi cualquier potencia se lleva a cabo con frecuencias de reloj del orden de decenas de kilohercios, es decir, de hecho, en tiempo real.

Sin embargo, a altas corrientes, los transistores de efecto de campo son inferiores a los transistores bipolares en términos de pérdidas directas. Si en transistor bipolar bajo la condición de su saturación, las pérdidas están determinadas por P = IKUpr, donde Upr prácticamente no depende de la corriente y es aproximadamente igual a la altura de la barrera de potencial en dos abiertos uniones p-n, luego en transistores de efecto de campo P = IС2 Rpр, donde Rpр es básicamente la resistencia de un canal homogéneo.

La solución a este problema se encontró combinando el control de campo con un transistor bipolar. Este transistor bipolar de puerta aislada es más conocido por su nombre comercial IGBT (Transistor bipolar de puerta de aislamiento).

UGO para IGBT

Como puede ver, aquí se agregó una capa p + - como sustrato a la estructura vertical del transistor de efecto de campo, y se formó un transistor bipolar p-n-p entre el emisor E y el colector K. Bajo la influencia de un potencial positivo en la puerta G, aparece un canal conductor en la región p, que abre la unión J1. En este caso, la inyección de portadores minoritarios comienza profundamente en la capa n de baja resistencia, la capa J2 se abre ligeramente y comienza a fluir una corriente entre el colector y el emisor, sostenida por portadores en la capa p, que mantienen la pn unión J1 en estado abierto. La caída de voltaje en el JGBT está determinada por la caída de voltaje en las uniones pn abiertas J1 y J2, al igual que un transistor bipolar convencional. Los tiempos de inactividad del JGBT están determinados por los tiempos de reabsorción de los portadores minoritarios de estas uniones. Es decir, el dispositivo se enciende como un transistor de efecto de campo y se apaga como uno bipolar, como se puede ver en el ejemplo de conmutación del dispositivo GA100T560U_IR.

Esta estructura se puede considerar como una combinación de un transistor de efecto de campo y un transistor principal bipolar.

La dependencia de la temperatura de la caída de voltaje a través del JGBT está determinada por el coeficiente negativo en la unión J2 y el coeficiente positivo en el canal de la capa p, así como la capa n. Como resultado, los desarrolladores lograron que prevaleciera el coeficiente de temperatura positivo, lo que abrió el camino para la conexión en paralelo de estas estructuras semiconductoras y permitió crear dispositivos para corrientes prácticamente ilimitadas.

Montaje en IGBT para conmutación

tensiones hasta 3300 V y corrientes

Clasificación de elementos no lineales

Circuitos eléctricos no lineales

SECCION II. CADENAS NO LINEALES

Los circuitos no lineales son circuitos en los que hay al menos un elemento no lineal. Un elemento no lineal es un elemento para el cual la relación entre corriente y voltaje viene dada por una ecuación no lineal.

EN circuitos no lineales no se cumple el principio de superposición, por lo que no existen métodos de cálculo generales. Esto requiere el desarrollo de métodos de cálculo especiales para cada tipo de elementos no lineales y su modo de operación.

Los elementos no lineales se clasifican:

1) por naturaleza fisica: conductivo, semiconductor, dieléctrico, electrónico, iónico, etc .;

2) la naturaleza dividido en resistivo, capacitivo e inductivo;

CVC CVC CVC

3) por tipo de características todos los elementos comparten

Simétrico y asimétrico. Simétricos son aquellos en los que la característica es simétrica con respecto al origen. Para elementos no simétricos, la dirección positiva de voltaje o corriente se elige de una vez por todas, y para ellos la característica I - V se da en los libros de referencia. Solo esta dirección se puede usar al resolver problemas usando estas características IV.

Por inequívoco y ambiguo. Ambiguo, cuando varios puntos corresponden a un valor de corriente o voltaje en la característica I - V;

4) elementos inerciales e inerciales. Los elementos inerciales son aquellos elementos en los que la no linealidad se debe al calentamiento del cuerpo durante el paso de la corriente. Dado que la temperatura no puede cambiar arbitrariamente rápidamente, al pasar a través de dicho elemento corriente alterna con una frecuencia suficientemente alta y un valor efectivo constante, la temperatura del elemento permanece prácticamente constante durante todo el período del cambio de corriente. Por tanto, para valores instantáneos, el elemento resulta ser lineal y se caracteriza por algún valor constante R (I, U). Si el valor efectivo de la corriente cambia, entonces la temperatura cambiará y se obtendrá una resistencia diferente, es decir, para los valores efectivos, el elemento se volverá no lineal.

5) elementos gestionados y no gestionados. Arriba hablamos de elementos no gestionados. Los elementos controlados incluyen elementos con tres o más terminales, en los que, al cambiar la corriente o el voltaje en un terminal, es posible cambiar la característica I - V en relación con los otros terminales.

Dependiendo de tarea específica Es conveniente usar ciertos parámetros de elementos y el número total de ellos es grande, pero la mayoría de las veces usan parámetros estáticos y diferenciales. Para un elemento resistivo de dos polos, estos serán resistencias estáticas y diferenciales.

En un punto dado, la característica I - V

En un punto de funcionamiento dado, característica I - V

1. Dé un pequeño incremento de voltaje. Encuentre el incremento actual de la característica I - V causado por este incremento y tome su relación. La desventaja de este método es que para aumentar la precisión del cálculo, debe reducir DU y DI pero es difícil trabajar con el horario.

2. Se dibuja una tangente a un punto dado de la curva y luego, de acuerdo con la definición geométrica de la derivada, se obtiene

Donde los incrementos se toman en esta tangente y pueden ser arbitrariamente grandes.

Si se conoce el modo de funcionamiento de un elemento no lineal, entonces en este punto se conocen su resistencia estática, así como el voltaje y la corriente, por lo que se puede reemplazar de una de las 3 maneras.

Si se sabe que durante el funcionamiento del circuito, la corriente y el voltaje cambian dentro de la "sección más o menos recta de la característica I - V", entonces esta sección se describe mediante una ecuación lineal y dicho circuito equivalente se asigna a eso.

Esta sección está linealizada por una ecuación de la forma U = a + ib Para ello se obtienen los coeficientes de la ecuación.

Cuándo I= 0 y U = U 0 = a,

CADENAS NO LINEALES L11

Temas SRSP

Preparación para medidas, mantenimiento de dispositivos. [A1], págs. 135-140.

Literatura principal

1. M.S. Sternzat y A.A. Sapozhnikov, Instrumentos meteorológicos, observaciones y su procesamiento, L, GMI, 1959

2.O.A. Gorodetsky, I.I. Guralnik, V.V. Larin, Meteorología, métodos y medios técnicos de observación, GMI, L, 1984

literatura adicional

1. Manuales para estaciones y puestos hidrometeorológicos, parte 1, Almaty, 2002

2. A. V. Kapustin, N. P. Storozhuk, Medios tecnicos Servicio Hidrometeorológico, SP, 2005

3. NP Fateev, Verificación de instrumentos meteorológicos, GMI, L, 1975

4. Directrices para la verificación de instrumentos meteorológicos, GMI, L, 1967

Las propiedades de los elementos del circuito eléctrico (resistencia, inductancia, capacitancia) se describen por sus características estáticas. La característica estática de la resistencia activa es su característica corriente-voltaje. Para la inductancia, la característica estática es la característica de Weber-ampere: la relación entre la corriente i y el flujo magnético F. La característica estática de la capacitancia es la relación entre la carga qy el voltaje u c. Esto se llama característica de voltio de culombio.

La característica estática de un elemento de circuito se expresa mediante alguna dependencia funcional y = f (x).

La función y puede verse como una respuesta a la acción x.

El parámetro estático de un elemento de circuito es la relación

El parámetro diferencial es

El parámetro diferencial a menudo se llama pendiente (S)

Dado que y = px, entonces

Los parámetros de los elementos lineales no dependen del modo de funcionamiento, es decir sobre la magnitud del impacto x.

Por lo tanto, la característica estática de un elemento lineal (pasivo) es una línea recta que pasa por el origen de las coordenadas (Fig. 9.1.), Y el parámetro diferencial es una línea recta paralela al eje x (Fig. 9.2.).

Higo. 9.1. Característica estática de un elemento lineal

Higo. 9.2. Parámetro diferencial de elemento lineal

Los valores de los parámetros estáticos y diferenciales del elemento lineal coinciden, es decir

donde m y y m x son escalas en xey, con m y = m x P = P d = tga.

Un elemento no lineal se caracteriza por el hecho de que sus parámetros dependen del modo de funcionamiento, es decir sobre la magnitud del impacto x.

Dibujemos una característica estática de algunos N.E. (Figura 9.H).

Higo. 9.3. Característica estática de N.E.

En cualquier punto arbitrario de la característica m, el parámetro estático está determinado por el ángulo a: la pendiente de la secante trazada desde el origen hasta el punto m (figura 9.3).

Si m х = m y, entonces P = tga.

El parámetro diferencial (pendiente) en el mismo punto es proporcional a la tangente del ángulo b entre la tangente a la curva en un punto dado y el eje x (Figura 9.3).

Cualquier sistema caótico debe tener elementos o propiedades no lineales. No puede haber oscilaciones caóticas en un sistema lineal. En un sistema lineal, las influencias externas periódicas provocan una respuesta periódica del mismo período después de la amortiguación de los procesos transitorios (figura 2.1). (Las excepciones son los sistemas lineales paramétricos). En los sistemas mecánicos, son posibles los siguientes componentes no lineales:

1) elementos elásticos no lineales;

Higo. 2.1. Esquema de posibles transformaciones de señales en sistemas lineales y no lineales.

2) amortiguación no lineal, similar a la fricción estática y deslizante;

3) contragolpe, contragolpe o resortes bilineales;

4) la mayoría de los fenómenos hidrodinámicos;

5) condiciones de contorno no lineales.

Los efectos elásticos no lineales pueden asociarse con las propiedades de las sustancias o con las características geométricas. Por ejemplo, la relación entre las tensiones en una muestra de caucho y su deformación no es lineal. Sin embargo, aunque la relación de tensiones y deformaciones en el acero suele ser lineal hasta el límite de fluencia, las curvas fuertes en una viga, losa o cáscara pueden estar relacionadas de forma no lineal con las fuerzas y momentos aplicados. Tales efectos asociados con fuertes desplazamientos o rotaciones se conocen comúnmente en mecánica como no linealidades geométricas.

Las propiedades no lineales de los sistemas electromagnéticos se deben a los siguientes factores:

1) resistencias no lineales, condensadores o elementos inductivos;

2) histéresis en materiales ferromagnéticos;

3) elementos activos no lineales como tubos de vacío, transistores y diodos;

4) efectos característicos de los medios en movimiento, por ejemplo, fuerza electromotriz, donde v es la velocidad y B es el campo magnético;

5) fuerzas electromagnéticas, por ejemplo, donde J es la corriente, o donde M es el momento magnético dipolo.

Ejemplos de dispositivos no lineales son elementos de circuitos eléctricos comunes, como diodos y transistores.

Higo. 2.2. Problemas no lineales con varias posiciones de equilibrio: a - flexión longitudinal de una varilla elástica delgada bajo la acción de una carga axial en el extremo; 6 - flexión longitudinal de una barra elástica por fuerzas de masa magnéticas no lineales.

Los materiales magnéticos como el hierro, el níquel o las ferritas se caracterizan por relaciones de material no lineales entre el campo de magnetización y la densidad de flujo magnético. Vía amplificadores operacionales y diodos, algunos experimentadores logran recolectar resistencias negativas con características de voltio-amperio bilineales (ver Capítulo 4).

No es fácil identificar no linealidades en todos los sistemas, en primer lugar, porque a menudo estamos acostumbrados a razonar en el lenguaje de los sistemas lineales y, en segundo lugar, porque los componentes principales del sistema pueden ser lineales y la no linealidad es un efecto sutil. Por ejemplo, los elementos individuales de una armadura de fijación pueden ser linealmente elásticos, pero están ensamblados de manera que haya espacios y fricción no lineal. Por tanto, la no linealidad puede ocultarse en las condiciones de contorno.

En el ejemplo de la barra doblada, los elementos no lineales se distinguen fácilmente (Figura 2.2). Cualquier dispositivo mecánico que tenga más de una posición de equilibrio estático tiene un espacio, un juego o una rigidez no lineal. En el caso de una barra doblada por una carga en el extremo (figura 2.2, a), el culpable es la no linealidad geométrica de la rigidez. En una barra doblada por fuerzas magnéticas (figura 2.2, b), la fuente del comportamiento caótico del sistema son las fuerzas magnéticas no lineales.