Що таке нелінійний елемент. Нелінійні елементи. Нелінійні електричні ланцюги

якщо залежність U(I) або I(U лінійна і його опір R постійно ( R \u003d з onst ) , То такий елемент називають лінійним (ЛЕ) , А електричний ланцюг, що складається тільки з лінійних елементів - лінійного електричного ланцюгом .

ВАХ лінійного елемента симетрична і являє собою пряму, що проходить через початок координат (рис. 16, крива 1). Таким чином, в лінійних електричних ланцюгах виконується закон Ома.

якщо залежність U(I) або I(U) Будь-якого елементу електричного кола нЕ лінійна, а його опір залежить від струму в ньому або напруги на його висновках ( R ≠ з onst ) , То такий елемент називають нЕ лінійним (НЕ) , А електричний ланцюг при наявності хоча б одного нелінійного елемента - нелінійної електричної ланцюгом .

ВАХ нелінійних елементів непрямолінійність, І іноді можуть бути несиметричні, наприклад, у напівпровідникових приладів (рис. 16, криві 2, 3, 4). Таким чином, в нелінійних електричних ланцюгах залежність між струмом і напругою не підкоряється закону Ома.

Мал. 16. ВАХ лінійного і нелінійних елементів:

крива 1 - ВАХ ЛЕ (резистора); крива 2 - ВАХ НЕ (лампи розжарювання з металевою ниткою); крива 3 - ВАХ НЕ (лампи розжарювання з вугільною ниткою;

крива 4 - ВАХ НЕ ( напівпровідникового діода)

прикладом лінійного елемента є резистор.

прикладами нелінійних елементів служать: лампи розжарювання, терморезистори, напівпровідникові діоди, транзистори, газорозрядні лампи і т.д.Умовне позначення НЕ наведено на рис. 17.

Наприклад, зі збільшенням струму, що протікає по металевій нитки розжарювання електричної лампи, збільшується її нагрівання, а отже, зростає її опір. Таким чином, опір лампи розжарювання не постійно.

Розглянемо наступний приклад. Наведено таблиці зі значеннями опорів елементів при різних значеннях струму і напруги. Яка з таблиць відповідає лінійному, яка нелінійного елементу?

Таблиця 3

R, Ом

Таблиця 4

R, Ом

Дайте відповідь на питання, на якому з графіків зображений закон Ома? Якому елементу відповідає цей графік?

1 2 3 4

А що можна сказати про графіки 1,2 і 4? Які елементи характеризують ці графіки?

Нелінійний елемент в будь-якій точці ВАХ характеризується статичним опором, що дорівнює відношенню напруги до струму, що відповідають цій точці (рис. 18). Наприклад, для точки а :

.

Крім статичного опору нелінійний елемент характеризується диференціальним опором, під яким розуміється відношення нескінченно малого або дуже малого приросту напруги ΔU до відповідного збільшенню ΔI (рис. 18). Наприклад, для точки а ВАХ можна записати

де β - кут нахилу дотичній, проведеної через точку а .

Дані формули складають основу аналітичного методу розрахунку найпростіших нелінійних ланцюгів.

Розглянемо приклади. Якщо під впливом статичної опір нелінійного елемента при напрузі U 1 \u003d 20 В дорівнює 5 Ом, то сила струму I 1 складе ...

Статичний опір нелінійного елемента при струмі 2 А складе ...

Висновок по третьому питанню: розрізняють лінійні і нелінійні елементи електричного кола. У нелінійних елементах не виконується закон Ома. Нелінійні елементи характеризуються в кожній точці ВАХ статичним і диференційованим опором. До нелінійним елементам можна адресувати напівпровідникові прилади, газорозрядні лампи і лампи розжарювання.

Питання № 4. Графічний метод розрахунку нелінійних

електричних ланцюгів (15 хв.)

Для розрахунку нелінійних електричних ланцюгів застосовуються графічний і аналітичний методи розрахунку. Графічний метод простіший і його ми і розглянемо більш докладно.

Нехай джерело ЕРС Е з внутрішнім опором r 0 живить два послідовно з'єднаних нелінійних елемента або опору НС1 і Нс2 . відомі Е , r 0 , ВАХ 1 НС1 і ВАХ 2 Нс2. Потрібно визначити струм в ланцюзі I н

Спочатку будуємо ВАХ лінійного елемента r 0 . Це пряма, що проходить через початок координат. Напруга U, падаюче на опору контуру, визначається виразом

Щоб побудувати залежність U = f ( I ) , Необхідно скласти графічно ВАХ 0, 1 і 2 , Підсумовуючи ординати, відповідні одній абсциссе, потім інший і т.д. отримуємо криву 3 , Що представляє собою ВАХ всього ланцюга. Використовую цю ВАХ, знаходимо струм в ланцюзі I н , Що відповідає напрузі U = E . Потім, використовуючи знайдене значення струму, по ВАХ 0, 1 і 2 знаходимо шукані напруга U 0 , U 1 , U 2 (Рис. 19).

Нехай джерело ЕРС Е з внутрішнім опором r 0 живить два паралельно з'єднаних нелінійних елемента або опору НС1 і Нс2 , ВАХ яких відомі. Потрібно визначити струм в гілках ланцюга I 1 і I 2 , Падіння напруги на внутрішньому опорі джерела і на нелінійних елементах.

будуємо ВАХ I н = f ( U ab ) . Для цього складаємо графічно ВАХ 1 і 2 , Підсумовуючи абсциси, відповідні одній ординате, потім інший ординате і т.д. Будуємо ВАХ всього ланцюга (крива 0,1,2 ). Для цього складаємо графічно ВАХ 0 і 1,2 , Підсумовуючи ординати, що відповідають певним абсцис.

Використовую цю ВАХ, знаходимо струм в ланцюзі I н , Відповідний напрузі U = E .

використовую ВАХ 1,2 , Визначаємо напругу U ab , Відповідне знайденому току I н , І внутрішнє падіння напруги U 0 , Відповідне цьому току. Потім, використовуючи ВАХ 1 і 2 знаходимо шукані струми I 1 , I 2 , Відповідні знайденому напрузі U ab (Рис. 20).

Розглянемо наступні приклади.

При послідовному з'єднанні нелінійних опорів з характеристиками R 1 і R 2, якщо характеристика еквівалентного опору R Е ...

пройде нижче характеристики R 1

пройде вище характеристики R 1

пройде, відповідаючи характеристиці R 1

пройде нижче характеристики R 2

При послідовному з'єднанні лінійного та нелінійного опорів з характеристиками а й б характеристика еквівалентного опору ...

пройде нижче характеристики а

пройде вище характеристики а

пройде, відповідаючи характеристиці а

пройде нижче характеристики б

Висновок по четвертому питанню: нелінійні електричні ланцюги постійного струму складають основу електронних ланцюгів. Існує два методи їх розрахунку: аналітичний і графічний. Графічний метод розрахунку дозволяє більш просто визначити всі необхідні параметри нелінійної ланцюга.

зміст. Нелінійні елементи. Насичення магнітних матеріалів. Сегнетоелектрики, варистори і позистора. Нелінійні резистори. Напівпровідниковий діод і його ВАХ. Поняття про будову біполярних транзисторів і тиристорів. Лінійний стабілізатор напруги. Принцип дії польового транзистора і біполярного транзистора з ізольованим затвором (IGBT).

Значення елементів R, C, L були введені як коефіцієнти між струмом і напругою (R), зарядом і напругою (С), а також магнітним потоком і струмом (L). Далі з цих співвідношень був сформульований узагальнений закон Ома.

При розгляді найбільш простих завдань було зроблено припущення, що ці значення не залежать від протікає за даними елементам електромагнітної енергії. І ми з великим задоволенням маніпулювали з так званими лінійними елементами і навіть підбирали відповідні їм «лінійні» компоненти.

Однак в природі лінійних компонентів не існує!

Вони можуть мати приблизно лінійні параметри тільки в певному інтервалі струмів і напруг. Будь-яка речовина, потрапляючи в дію електромагнітних полів, так чи інакше, змінює свою будову і, відповідно, свої фізичні характеристики, а саме питомий опір, діелектричну і магнітну проникності і навіть геометричну форму. Тому змінюються і параметри виготовлених з цих матеріалів компонентів, так як R \u003d rl / s; C »es / l; L »ms / l. Якщо ці зміни не істотні, то ми говоримо про лінійності елементів і відповідних компонентів. В іншому випадку необхідно враховувати ці зміни і тоді слід говорити про нелінійних елементах і компонентах.

УДО нелінійних елементів в схемах заміщення мають такий вигляд:

нелінійний резистор

котушка індуктивності з магнітопроводом

нелінійний конденсатор - варікап

Нелінійні елементи досить широко використовуються в електричних ланцюгах з метою зміни форми сигналу, іншими словами, для збудження або поглинання певних гармонік, у тому числі складено сигнал.

З математичної точки зору, в цьому випадку коефіцієнти, складені з R, C, L, залежать від невідомих параметрів (струму і напруги), а енергетичні рівняння, складені за правилами Кірхгофа, стають нелінійними з усіма наслідками, що випливають для розрахунків наслідками.

Найбільш поширеними методами їх вирішення є:

- апроксимація, Коли відому нелінійну залежність значення елемента від струму або напруги апроксимують відрізками лінійних функцій і отримують для кожного з них рішення лінійних рівнянь;

- графічний метод, Коли рівняння вирішують графічним способом з використанням

відомих нелінійних графічних залежностей елемента від струму або напруги;

- машинний метод, Коли нелінійну залежність значення елемента від струму або напруги апроксимують модельної математичної функцією і вирішують інтегро-диференціальні нелінійні рівняння чисельними методами.

нелінійної індуктивності в електротехніці використовують вебер-амперні характеристики, Які аналогічні гістерезисних кривих ВН для феромагнітних матеріалів, які люблять застосовувати фізики. Якщо на вебер-амперної характеристики L \u003d dY / dI, то на ВН-кривих m \u003d dB / dH, але Y \u003d NBS, a H »I / r. іноді користуються вольт-секундної характеристикою, Т. К. Y \u003d òUdt.

При апроксимації цю характеристику зазвичай ділять на частини: до насичення це пряма лінія з нахилом m \u003ddB /dH, А після насичення при вм це пряма лінія з m \u003d 1. Значення залишкової намагніченості Вr і коерцитивної сили НС визначають площу, займану петлею гистерезиса, т. е. активні втрати на перемагнічування. Тому в більшості випадків їх можна врахувати введенням в ланцюг резистивного елемента і виключити з апроксимації вебер-амперної характеристики.

Режим роботи котушок індуктивності з лінійними характеристиками вибирають в межах великих значень m або L. В цій області працюють такі магнітні пристрої, як дроселі для накопичення магнітної енергії, трансформатори для передачі потужності через магнітну зв'язок котушок, а також електродвигуни. У той же час ефект нелінійності магнітних матеріалів широко використовують для створення магнітних підсилювачів, ферорезонансним стабілізаторів і навіть магнітних ключових елементів, в яких застосовують магнітні матеріали з так званої прямокутної магнітної характеристикою, де m може досягати величин 50 і більше. В даний час в котушках індуктивності застосовують в основному 3 типи магнітних матеріалів: електротехнічну сталь, аморфне залізо (метагласс) і феритиз дуже різними гістерезисними кривими.

Нелінійні котушки індуктивності історично були створені першими з-за доступності і невисокій вартості магнітних матеріалів, а також простоти їх виготовлення. Вони відрізняються, перш за все, своєю надійністю, але мають великі вагогабаритні характеристики, і в зв'язку з цим високу інерційність. Втрати на перемагнічування і активні втрати на нагрів обмоток також є серйозною проблемою, особливо в силовий електротехніці. Тому в даний час застосування нелінійних котушок індуктивності обмежена.

Для уявлення залежності нелінійної ємності використовують кулон-вольтні характеристики, так як C \u003d dQ / dU.

Вони аналогічні феромагнітним вебер-амперних характеристик, тільки тут присутній діелектрична проникність e \u003d dD / dE, де D - електрична індукція або електричне зміщення.

Найбільш цікавим діелектриком для створення нелінійних конденсаторів є сегнетоелектрики, Такі як сегнетова сіль (калій-натрій виннокислий), титанат барію, титанат вісмуту та ін. За рахунок доменної структури електричних диполів вони мають при низькій напрузі високою діелектричної проникністю з e »1000, яка при підвищенні напруги зменшується, аналогічно магнітної проникності у феромагнетиків. Тому в зарубіжній літературі вони отримали назву ферроелектріков. Ці матеріали широко використовуються для створення таких лінійних ємнісних елементів, як керамічні конденсатори з високою питомою щільністю запасається електричною енергією, де вони працюють в ненасиченої області кулон-вольтной характеристики. Нелінійність використовується для створення конденсаторів зі змінною ємністю, варіконд, Які мають вузьке застосування.

У змінному полі в сегнетоелектриках відбувається зміна напрямку електричного моменту диполів, які пов'язані в великі домени, поміщені в кристалічні структури. Це призводить до зміни геометричних розмірів кристала, так званому ефекту електрострикції. У магнітних матеріалах є аналогічний ефект магнитострикции, Але його важко використовувати через наявність зовнішньої обмотки. У деяких групах сегнетоелектричних кристалів спостерігаються схожі на електрострикції ефекти. це прямий п'єзоелектричний ефект - поява електричного поля (поляризація) в кристалі при його механічної деформації, і зворотний - механічна деформація при появі електричного поля. Дані кристалічні матеріали називають п'єзоелектрик, і вони отримали надзвичайно велике застосування. Прямий ефект використовується для отримання високих напруг, в первинних перетворювачах механічних зусиль (наприклад мікрофони, звукознімачі в системах механічного запису звуку) та ін. Зворотний ефект використовується в звукових і ультразвукових випромінювачів, в системах надточного позиціонування (позиционер переміщення головки жорсткого диска) і ін. обидва ефекти використовуються при створенні резонансних кварцових генераторів , Де розміри кристалів підібрані таким чином, що механічні коливання знаходяться в резонансі з електричними. При дуже високій добротності такої системи забезпечуються стабільність і точність настройки частоти генератора. Два таких кристала, що мають звуковий зв'язок, можуть передавати електричну потужність без гальванічного зв'язку, за що їх називають п'єзотрансформатор.

Доменна структура як електричних, так і магнітних диполів розпадається при певній температурі, званої точкою Кюрі. При цьому відбувається фазовий перехід і істотно змінюється провідність сегнетоелектріка. На цій основі діють позистора, В яких при додатковому легуванні матеріалу можна встановлювати певну точку Кюрі. Після досягнення цієї температури швидкість зростання опору може досягати 1 кОм / град.

По суті це нелінійний резистор, Який має S-подібну або «ключову» вольт-амперну характеристику (ВАХ).

Тобто цей елемент може працювати як електричний ключ, керований проходять струмом або зовнішньою температурою.

Позистора широко застосовуються для захисту від струмових перевантажень в телефонних аналогових мережах, а також для скидання магнітної енергії з котушок при їх відключенні, плавному пуску двигунів і т. П. Досить цікаве застосування вони знайшли як регульовані тепловиділяючі елементи в тепловентиляторах, в яких сам елемент знаходиться практично при постійній температурі, а споживана електрична потужність автоматично підтримується рівної відводиться теплової потужності. Тобто швидкістю обертання вентилятора можна управляти тепловою потужністю такого нагрівального приладу.

При іншому типі легування сегнетоелектріка можна домогтися ефекту нелінійної залежності його провідності від напруги, т. Е. Це фактично нелінійний резистор, званий варистором. Даний ефект обумовлений зміною при певному напруженні провідності тонких шарів речовини, що оточують домени. Тому їх характеризують вольт-амперної характеристикою, Де функцію U (I) можна уявити полиномом п'ятого ступеня. Нелінійні резистори зручно характеризувати статичним опором Rст \u003d U / I і диференціальним опором Rд \u003d dU / dI. Видно, що на лінійній ділянці Rст ~ Rд, на нелінійному ділянці Rст £ Rд.

Основне їх застосування - це захист електричних ланцюгів від комутаційних викидів небезпечних перенапруг. У варисторі енергія подібного викиду перетворюється в активну і нагріває його масу. Тому варистори розрізняють за двома основними параметрами - напрузі, при якому відбувається злам ВАХ, і енергією, яку здатний поглинути елемент без порушення його працездатності.

нелінійні резистори всіляких типів займають велике місце в сучасній електротехніці. Взагалі кажучи, будь-який провідник є нелінійним. Якщо пропускати струм через звичайну мідну зволікання, то спочатку її опір, як відомо, буде змінюватися як R0 (1 + αT). Ця залежність буде зберігатися поки зволікання не розплавиться і тоді опір буде залишатися постійним до випаровування матеріалу. А в цьому стані зволікання стає фактично ізолятором.

Опір провідника R обернено пропорційно щільності струму, тому опір мідного голого провідника вважається лінійним до щільності струму 10 А / мм2 . При погіршенні теплос'ема з провідника це значення зменшується. Наприклад, в обмотці котушки індуктивності це значення може бути на рівні 2 А / мм2. Так як при перевищенні даних значень щільності струму відбувається зростаюче виділення теплової енергії, яке призводить до його розплавлення, то вони вважаються допустимими значеннями щільності струму і використовуються при виборі безпечних перерізівпровідників.

На цьому принципі працюють плавкі запобіжники,перерізпровідника в яких відповідає граничному значенню проходить через нього струму. Але якщо в зволікання вкладати потужність більш 1010 Вт / г, то випаровування, минаючи стадію плавлення, піде по адіабати і хвиля тиску випаровується з поверхні газу створить всередині матеріалу колосальні щільності речовини. При цьому вдавалося звільняти атоми золота від їх електронної оболонки і проводити термоядерні реакції.

При певному напруженні, достатньому для появи в газі достатньої кількості носіїв електричних зарядів, В газовому проміжку починає проходити електричний струм. Це явище називають газовим розрядом, А сам газорозрядне проміжок може розглядатися як нелінійне опір з наступною ВАХ.

Газорозрядні прилади отримали дуже широке поширення в якості і індикаторів, зварювальних апаратів і плавильних агрегатів, електричних ключів і плазмохімічних реакторів, і т. п.

У 1873 році Ф. Гутрі відкрив ефект нелінійної провідності у вакуумній лампі з термоемісійним катодом. Коли на катоді був негативний потенціал, його електрони створювали електричний струм, а при протилежної полярності вони закривалися на катоді і в лампі практично не було носіїв. Довгий час цей ефект не був затребуваний, поки в 1904 році потреби радіотехніки не привели до створення Терміон (вакуумного) діода. А так як в такому пристрої за провідність відповідає електричне поле, то введення додаткових невеликих потенціалів дає можливість управляти потоком електронів, тобто електричним струмом. Таким чином, були створені керовані електричним полем нелінійні резистори (радіолампи), Які замінили великі, інерційні і керовані струмом нелінійні магнітні системи. Основними недоліками радіоламп були розжарюваний катод, що вимагає окремого джерела живлення і відповідного охолодження, а також досить великі габарити через вакуумної колби.

Тому практично одночасно з вакуумним (термоіонним) діодом був створений твердотільний діод на основі p-n переходу, який утворюється в місці контакту двох напівпровідників з різним типом провідності. Однак технологічні труднощі виробництва чистих напівпровідникових матеріалів дещо затримали впровадження цих елементів по відношенню до радіолампах.

При контакті двох областей з різним типом провідності носії заряду з них взаємно проникають (дифундують) в сусідню область, де вони не є основними носіями. При цьому в р-області залишаються некомпенсовані акцептори (негативні заряди), а в n-області некомпенсовані донори ( позитивні заряди), Які формують область просторового заряду(ОПЗ) з електричним полем, що перешкоджає подальшій дифузії носіїв заряду. У зоні p-n переходустворюється рівновага з контактною різницею потенціалів, яка становить для широко застосовується в напівпровідникових приладах кремнію »0,7 В.

При підключенні зовнішнього електричного поля ця рівновага порушується. При прямому зміщенні ( «+» в області р-типу) ширина ОПЗ зменшується і концентрація неосновних носіїв експоненціально збільшується. Їх компенсують основні носії, що надходять через контакти із зовнішнього ланцюга, що створює прямий струм, Експоненціально збільшується в міру збільшення напруги прямого зміщення.

При зворотному зсуві ( «-» в області р-типу) ширина ОПЗ збільшується і концентрація неосновних носіїв зменшується. Основні носії в цю зону не надходять, а має місце зворотний струм обумовлений тільки видаленням з ОПЗ неосновних носіїв і не залежить від прикладеної напруги. Прямий і зворотний струми можуть відрізнятися в 105 - 106 разів, формуючи істотну нелінійність ВАХ. при певному значенні зворотної напруги носії заряду при своєму вільному русі можуть знайти енергію, достатню, щоб при їх зіткненні з нейтральними утворити нові пари зарядів, які в свою чергу набирають енергію і беруть участь в народженні нових пар. Виникає лавинний струм змітає на своєму шляху всі потенційні бар'єри, перетворюючи напівпровідник в звичайний провідник.

УДО напівпровідникового діода

Типова форма ВАХ p-n переходу (діода)

Апроксимація «ідеального» діода - це ідеальний електричний ключ, керований полярністю напруги. Однак при цьому не враховують такі параметри, як:

1) Пряме падіння напруги при протіканні прямого струму, яке становить в багатьох реальних приладах 1 -1,5 В, а це призводить до активних втрат Р \u003d (1¸1,5) I, і, отже, до нагрівання елемента і граничним струмів для конкретного елемента. Рішення теплових задач по охолодженню напівпровідникових приладів, а також їх теплова стійкість, є одними з основних проблем при конструюванні електротехнічних пристроїв. Обернено пропорційна залежність прямого спадання напруги від температури обмежує застосування приладів з p-n переходами в паралельних з'єднаннях.

2) Зворотні струми , Якими можна нехтувати, тільки якщо вони на кілька порядків величини менше прямих струмів.

3) Напруга лавинного пробою, Яке визначає межу працездатності елемента при зворотній напрузі, на що потрібно звертати увагу, особливо при імпульсної роботі з індуктивними елементами. Однак загальна товщина кристала обмежує зворотні напруги величиною 1 - 2 кВ. Подальше підвищення зворотної напруги можливо тільки при послідовній збірці елементів з вирівнюванням зворотних струмів.

4) Тимчасові характеристики,зокрема час відновлення (Час переходу з провідного в непроводящее стан), яке є фактично час видалення з ОПЗ неосновних носіїв і її розширення. А цей параметр визначається дифузними процесами з характерними длительностями 10-5 с. При моделюванні імпульсних характеристик в схемах заміщення діода використовують 2 ємнісних елемента: бар'єрну ємність, Яка визначається розміром ОПЗ і об'ємним зарядом (вона істотна при зворотних напругах), а також диффузную ємність, Яка визначається концентрацією основних і неосновних носіїв (вона істотна при прямому падінні напруги). Дифузна ємність визначає часи накопичення і розсмоктування неравновесного заряду в ОПЗ і може досягати величини декілька десятків нанофарадах. розвиток технологічних процесів при виготовленні діодів дозволило істотно вплинути на імпульсні характеристики і зменшити час відновлення до десятків наносекунд в швидких і ультрашвидких діодах.

Тому розроблена для програми Spice математична модель реального напівпровідникового діода і її подальші модифікації являє собою досить складне математичне вираз, яке включає до 30 констант, що встановлюються користувачем для моделювання конкретного елемента.

Роботи по зменшенню прямої падіння напруги привели до створення діодів Шотткі, В яких p-n перехід замінений бар'єром Шотткі, утвореного парою метал-напівпровідник. Це дозволило зменшити розмір ОПЗ і знизити приблизно вдвічі пряме падіння напруги, але одночасно суттєво зменшилася допустимий зворотна напруга (< 250 В) и увеличились обратные токи. При этом улучшились импульсные характеристики, что позволило применять эти диоды при частотах до 100 кГц.

різке зменшення динамічного опору (Rд \u003d dU / dIt) при напрузі зворотного пробою дозволяє використовувати діоди в якості стабілізаторів напруги, подібно варистором. Але діоди, на відміну від варисторів, мають більш низькі значення динамічного опору. Однак слід враховувати, що в режимі стабілізації в ОПЗ p-n переходу виділяється енергія дорівнює Р \u003d Uл. пр × I. Тому були створені діоди Зенера і лавинні діоди з посиленим по теплостійкості p-n переходом і на їх основі стабілітрони.

При проходженні прямого струму в ОПЗ відбувається рекомбінація носіїв заряду з випромінюванням фотона, довжина хвилі якого визначається матеріалом напівпровідника. Варіюючи склад цього матеріалу і конструкцію елемента, можна створювати світлодіоди з когерентним ( лазерні діоди) І некогерентним випромінюванням для дуже широкого спектрального діапазону, від ультрафіолету до інфрачервоного світла.

Розвиток напівпровідникових технологій призвело до створення біполярного транзистора, Який представляє собою три шари напівпровідникового матеріалу з різним типом провідності, n-p-n або p-n-p. Ці шари називаються колектор-база-емітер. Таким чином, вийшли 2 послідовних p-n переходу, але з різноспрямованою провідністю. Для досягнення транзисторного ефекту необхідно, щоб провідність емітера була більше провідності бази, а товщина бази була порівнянною з шириною ОПЗ переходу колектор-база при зворотному провідності. для роботи n-p-n транзистора по схемі із загальною базою до колектора підключають позитивний полюс джерела, до емітера - негативний, а додатковим джерелом відкривають перехід база-емітер. При цьому в тонкий базовий шар почнуть надходити неосновні носії - електрони. Частина з них під впливом позитивного потенціалу колектора пройде через закритий перехід база-колектор, викликавши збільшення струму колектора, як зворотного струму через цей перехід. Причому струм колектора може в кілька сотень разів перевищити струм бази ( транзисторний ефект).

Таким чином, біполярний транзистор можна представити як нелінійне опір, кероване базовим струмом.

УДО біполярних транзисторів мають такий вигляд:

ВАХ біполярного транзистора або залежність струму колектора від напруги колектор-емітер UCE (IC) для транзистора 2N2222 при різних токах бази.

Таким чином, колекторний струм визначається базовим струмом, але ця залежність при малих базових токах істотно нелінійна. Це так званий активний режим.

При великих базових токах, коли досягається повне відкриття переходу колектор-база, транзистор виходить в насичення при мінімальному падінні напруги колектор-емітер, рівній подвійній контактної різниці потенціалів »1,2¸1,4 В (два послідовно включених відкритих p-n переходу). Ми отримуємо насичений режим.

Звідси випливають 2 можливості використання транзисторів - в активному режимі, як підсилювач, і в насиченому режимі - як електричний ключ.

Розглянемо як приклад використання транзистора в активному режимі - лінійний стабілізатор напруги.

У даній схемі транзистор включений за схемою c загальним колектором, т. Е. Джерела струму колектора і струму бази з'єднані загальною точкою і керуючий струм надходить в базу через резистор Rv. Так як перехід база-емітер відкритий, то можна вважати, що падіння напруги на ньому не залежить від струму і складає величину рівну потенційному бар'єра UBE \u003d 0,6-0,7В. За відсутності стабілітрона DZ вихідна напруга за правилом подільника напруги UOUT ~ UIN RL / RV + RL. Стабілітрон DZ підтримує постійний рівень напруги на базі UZ. Але тоді UOUT \u003d UZ - UBE є величиною постійною і не залежить від вхідної напруги і струму навантаження. при постійному струмі навантаження і, відповідно, струмі бази, будь-яке підвищення вхідного напруги Uin не змінить струм колектора, так як динамічний опір переходу колектор-база в активному режимі транзистора близько до ¥. У той же час зміна струму навантаження просто призведе до зміни струму бази і, відповідно, до зміни струму колектора.

Робота біполярного транзистора в режимі насичення вимагає наявності великих струмів управління, відповідних за величиною і тривалості з комутованими струмами. Тому було запропоновано тиристор, Що складається з 4 послідовних p-n-p-n шарів.

При включенні керуючого струму відкривається перший p-n перехід (база-емітер транзистора Q1) і електрони з емітера починають проникати через другий p-n перехід (база-колектор транзистора Q1) .. При цьому відкривається третій p-n перехід (база-емітер p-n-p транзисторa Q2) і, відповідно другий p-n перехід (база-колектор транзистора Q2). Цим самим забезпечується протікання струму в перший p-n перехід і ток управління вже не потрібен. Глибока зв'язок між усіма переходами забезпечує їх насичення.

Таким чином, коротким імпульсом керуючого струму нам вдалося перевести систему в насичене стан з падінням напруги близько 2 В. Щоб вимкнути струм в цій структурі потрібно знизити його до 0, а це досить просто виходить при гармонійному сигналі. В результаті ми отримали потужні напівпровідникові ключі для мереж зі змінним струмом, керовані короткими імпульсами на початку кожного напівперіоду.

Змінити провідність напівпровідникової структури можна також шляхом додатки до неї електричного поля, яке створить додаткові носії для струму. Ці носії будуть при цьому основнимиі їм не потрібно нікуди дифундувати. Ця обставина дає дві переваги в порівнянні з біполярними структурами.

По-перше, зменшуються часи зміни провідності, а по-друге, управління здійснюється потенційним сигналом при практично нульовому струмі, т. Е основний струм практично не залежить від струму управління. І ще одна перевага виникло через однорідності напівпровідникової структури, керованої електричним полем - це позитивний температурний коефіцієнт опору, що дало можливість виготовляти ці структури засобами мікроелектроніки в вигляді окремих мікроелементів (до декількох мільйонів на кв. См) і при необхідності з'єднувати їх паралельно.

Створені на цьому принципі транзистори отримали назву польових(В зарубіжній літературі FET або Field emission transistor). В даний час розроблено велика кількість різноманітних конструкцій таких приладів. Розглянемо польовий транзистор з ізольованим затвором, в якому керуючий електрод ( затвор), Відділений від напівпровідника ізолюючим шаром, як правило, окисом алюмінію. Дана конструкція отримала назву МДП (метал-окисел-напівпровідник) або МОП (метал-окисел-напівпровідник). Простір напівпровідника, де під впливом електричного поля утворюються додаткові носії, називають каналом, Вхід і вихід в який, відповідно, називають витоком і стоком. Залежно від технології виготовлення канали можуть бути індукованими (в n-матеріалі створюється р-провідність або навпаки) або вбудованими (у n-матеріалі створюють простір з р-провідністю або навпаки). На малюнку приведена типова горизонтальна конструкція МДП-транзистора з індукованим і з вбудованим р-каналом.

УДО МДП-транзистора

Тут представлені передавальні характеристики транзистора BUZ11, а саме залежності струму стоку і напруги стік-витік від величини напруги на затворі. Видно, що відкриття транзистора починається з деякого значення Uпор і досить швидко він входить в насичення.

Тут представлена \u200b\u200bстатична характеристика транзистора BUZ11, а саме залежність струму стоку від напруги стік-витік. Мітками відзначені точки переходу в режим насичення

Стійкість польових транзисторів до струмових перевантажень, високий вхідний опір, яке дозволяє істотно зменшити втрати на управління, висока швидкість перемикання, позитивний температурний коефіцієнт опору - все це дозволило приладів з польовим управлінням не тільки практично витіснити біполярні пристрою, але і створити новий напрямок в електротехніці - інтелектуальну силову електроніку,де управління потоками енергії практично будь-якої потужності здійснюється з тактовою частотою порядку десятків кілогерц, т. е. фактично в режимі реального часу.

Однак при великих токах польові транзистори поступаються біполярним транзисторам за величиною прямих втрат. Якщо в біполярному транзисторі за умови його насичення втрати визначаються P \u003d IКUпр, де Uпр практично не залежить від струму і приблизно дорівнює висоті потенційного бар'єру на двох відкритих p-n переходах, То в польових транзисторах P \u003d IС2 Rпр, де Rпр є в основному опір однорідного каналу.

Вирішення цієї проблеми було знайдено в поєднанні польового управління з біполярним транзистором. Такий біполярний транзистор з ізольованим затвором більше відомий під його торговим найменуванням IGBT (Insulation Gate Bipolar Transistor).

УДО для IGBT

Як видно, тут до вертикальної конструкції польового транзистора додали в якості підкладки р + - шар і між емітером Е і колектором До утворився біполярний p-n-p транзистор. Під впливом позитивного потенціалу на затворі G в р-області виникає провідний канал, який відкриває перехід J1. При цьому вглиб низкоомного n - шару починається інжекція неосновних носіїв, шар J2 відкривається і між колектором і емітером починає протікати струм, підтримуваний носіями в р-шарі, які утримують p-n перехід J1 у відкритому стані. Падіння напруги на JGBT визначається падінням напруги на відкритих p-n переходах J1 і J2, так само як і в звичайному біполярному транзисторі. Часи виключення JGBT визначаються часом розсмоктування неосновних носіїв з цих переходів. Тобто прилад включається як польовий транзистор, а вимикається як біполярний, як це видно на прикладі комутації приладу GA100T560U_IR.

Дану структуру можна уявити як комбінацію польового керуючого транзистора і біполярного основного транзистора.

Температурна залежність падіння напруги на JGBT визначається негативним коефіцієнтом на переході J2 і позитивним коефіцієнтом на каналі р-шару, а також n-шарі. В результаті розробникам вдалося зробити превалюючим позитивний температурний коефіцієнт, що відкрило дорогу паралельного підключення цих напівпровідникових структур і дало можливість створювати пристрої на практично необмежені струми.

Збірка на IGBT для комутації

напруги до 3300 В і струмів

Класифікація нелінійних елементів

Нелінійні електричні ланцюги

РОЗДІЛ II. НЕЛІНІЙНІ ЦЕПИ

Нелінійні ланцюги - це ланцюги, в яких є хоча б один нелінійний елемент, Нелінійний елемент - це елемент, для якого зв'язок струму і напруги задають нелінійним рівнянням.

В нелінійних колах не виконується принцип накладення, і тому немає загальних методів розрахунку. Це викликає необхідність розробки спеціальних методів розрахунку для кожного типу нелінійних елементів і режиму їх роботи.

Нелінійні елементи класифікують:

1) по фізичній природі: Провідникові, напівпровідникові, діелектричні, електронні, іонні і т.д .;

2) за характером ділять на резистивні, ємнісні і індуктивні;

ВАХ КВХ ВАХ

3) по виду характеристик всі елементи ділять

На симетричні і несиметричні. Симетричні - це такі, у яких характеристика симетрична щодо початку координат. Для не симетричні елементів раз і назавжди вибирають позитивний напрямок напруги або струму і для них в довідниках наводиться ВАХ. Тільки такий напрямок можна використовувати при вирішенні завдань з використанням цих ВАХ.

На однозначні і неоднозначні. Неоднозначні, коли одному значенню струму або напруги на ВАХ відповідають кілька точок;

4) інерційні та безінерційні елементи.Інерційними елементами називають такі елементи, у яких нелінійність обумовлена \u200b\u200bнагріванням тіла при проходженні струму. Т. к. Температура не може змінюватися як завгодно швидко, то при проходженні по такому елементу змінного струму з досить високою частотою і незмінним діючим значенням, температура елемента залишається практично незмінною протягом усього періоду зміни струму. Тому для миттєвих значень елемент виявляється лінійним і характеризується якийсь постійною величиною R (I, U). Якщо ж зміниться діюче значення струму, то зміниться температура і вийде інший опір, т. Е. Для діючих значень елемент стане нелінійним.

5) керовані і некеровані елементи. Вище ми говорили про некерованих елементах. До керованих елементів відносять елементи з трьома і більше висновками, у яких, змінюючи струм або напруга на одному висновку, можна змінювати ВАХ щодо інших висновків.

Залежно від конкретного завдання зручно застосовувати ті чи інші параметри елементів і загальне число їх велике, але частіше за все використовують статичні і диференціальні параметри. Для резистивного двополюсного елемента це будуть статичну і диференціальне опору.

В заданій точці ВАХ

У заданій робочій точці ВАХ

1. Дають невелике збільшення напруги. Знаходять по ВАХ, викликане цим збільшенням, збільшення струму і беруть їх ставлення. Недоліком цього способу є те, що для підвищення точності розрахунку потрібно зменшувати DU і DI, Але при цьому важко працювати з графіком.

2. До заданій точці кривої проводять дотичну і тоді по геометричному визначенню похідною, отримують

Де збільшення беруть на цій дотичній і можуть бути як завгодно великими.

Якщо відомий режим роботи нелінійного елемента, то в цій точці відомо його статичний опір, а також напруга і струм, тому його можна замінити одним з 3-х способів.

Якщо відомо, що під час роботи ланцюга струм і напруга змінюються в межах «більш-менш прямолінійної ділянки ВАХ», то ця ділянка описують лінійним рівнянням і ставлять йому в відповідність таку еквівалентну схему.

Лінеарізуют цю ділянку рівнянням виду U \u003d a + ib.Получают для нього коефіцієнти рівняння.

при i\u003d 0 і U \u003d U 0 \u003d а,

Л11 НЕЛІНІЙНІ ЦЕПИ

теми СРСП

Підготовка до вимірювань, догляд за приладами. [Л1], стр.135-140.

Основна література

1. М.С.Стернзат і А.А.Сапожніков, Метеорологічні прилади, спостереження і їх обробка, Л, ГМД, 1959 р

2.О.А.Городецкій, І.І.Гуральнік, В.В.Ларін, Метеорология, методи і технічні засоби спостережень, ГМД, Л, 1984

додаткова література

1. Настанови гідрометеорологічним станціям і постам, ч.1, Алмати, 2002 г.

2. А.В.Капустін, Н.П.Сторожук, Технічні засоби гідрометеорологічної служби, СП, 2005

3. Н.П.Фатеев, Повірка метеорологічних приладів, ГМД, Л, 1975

4. Керівництво по повірці метеорологічних приладів, ГМД, Л, 1967

Властивості елементів електричного кола (опору, індуктивності, ємності) описуються їх статичними характеристиками. Статичною характеристикою активного опору є його вольтамперної характеристики. Для індуктивності статичною характеристикою є вебер-амперна характеристика: залежність між струмом i і магнітним потоком Ф. Статична характеристика ємності являє собою залежність між зарядом q і напругою u c. Вона називається кулон-вольтной характеристикою.

Статична характеристика елементу ланцюга виражається деякою функціональною залежністю y \u003d f (x).

Функцію у можна розглядати як відгук на вплив х.

Статичним параметром елемента ланцюга називають відношення

Диференціальний параметр дорівнює

Диференціальний параметр часто називають крутизною (S)

Так як у \u003d рх, то

Параметри лінійних елементів не залежать від режиму роботи тобто від величини впливу х.

Тому статична характеристика лінійного (пасивного) елемента є прямою, що проходить через початок координат (рис. 9.1.), А диференційний параметр - пряму, паралельну осі х (рис. 9.2.).

Мал. 9.1. Статична характеристика лінійного елемента

Мал. 9.2. Диференціальний параметр лінійного елемента

Значення статичного і диференціального параметрів лінійного елемента збігаються, тобто

де m y і m x - масштаби по х і у, при m y \u003d m x P \u003d P d \u003d tga.

Для нелінійного елемента характерно те, що його параметри залежать від режиму роботи, тобто від величини впливу х.

Намалюємо статичну характеристику якогось н.е. (Рис. 9.З).

Мал. 9.3. Статична характеристика н.е.

У будь-якої довільної точки характеристики m, статичний параметр визначається кутом a - нахилу січної, проведеної з початку координат в точку m (рис. 9.3).

Якщо m х \u003d m y, то P \u003d tga.

Диференціальний параметр (крутизна) в тій же точці пропорційна тангенсу кута b між дотичною до кривої в даній точці і віссю х (рис. 9.3).

Будь-яка хаотична система повинна мати нелінійні елементи або властивості. У лінійній системі не може бути хаотичних коливань. У лінійній системі періодичні зовнішні впливи викликають після загасання перехідних процесів періодичний відгук того ж періоду (рис. 2.1). (Винятком є \u200b\u200bпараметричні лінійні системи.) У механічних системах можливі наступні нелінійні компоненти:

1) нелінійні пружні елементи;

Мал. 2.1. Схема можливих перетворень сигналу в лінійних і нелінійних системах.

2) нелінійне загасання, подібне тертю спокою і ковзання;

3) мертвий хід, зазор або Білінійні пружини;

4) більшість гідродинамічних явищ;

5) нелінійні граничні умови.

Нелінійні пружні ефекти можуть бути пов'язані або з властивостями речовин, або з геометричними особливостями. Наприклад, співвідношення напруг у зразку з гуми і його деформації нелінійно. Однак, хоча співвідношення напруг і деформацій стали зазвичай лінійно аж до межі текучості, сильні вигини балки, плити або оболонки можуть бути нелінійно пов'язані з доданими силами і моментами. Подібні ефекти, пов'язані з сильними зсувами або поворотами, в механіці зазвичай називаються геометричними нелинейностями.

Нелінійні властивості електромагнітних систем обумовлені наступними факторами:

1) нелінійними опорами, ємностями або індуктивними елементами;

2) гистерезисом в феромагнітних матеріалах;

3) нелінійними активними елементами, подібними вакуумним лампам, транзисторів і діодів;

4) ефектами, характерними для рухомих середовищ, наприклад електрорушійної силою, де v - швидкість, а В - магнітне поле;

5) електромагнітними силами, наприклад, де J - струм, або, де М - дипольний магнітний момент.

Прикладами нелінійних пристроїв є такі звичайні елементи електричних ланцюгів, як діоди і транзистори.

Мал. 2.2. Нелінійні задачі з декількома положеннями рівноваги: \u200b\u200bа - поздовжній вигин тонкого пружного стрижня під дією осьового навантаження на торці; 6 - поздовжній вигин пружного стержня нелінійними магнітними масовими силами.

Такі магнітні матеріали, як залізо, нікель або ферити характеризуються нелінійними матеріальними співвідношеннями між полем намагнічування і щільністю магнітного потоку. За допомогою операційних підсилювачів і діодів деяким експериментаторам вдається зібрати негативні опору з билинейной вольт-амперної характеристикою (див. гл. 4).

Чи не в кожній системі легко виявити нелінійності, по-перше, тому що ми часто привчені міркувати на мові лінійних систем, а по-друге, тому що основні компоненти системи можуть бути лінійними і нелінійність є тонким ефектом. Наприклад, окремі елементи ферми кріплення можуть бути лінійно пружними, але вони зібрані так, що є зазори і присутній нелінійний тертя. Таким чином, нелінійність може ховатися в граничних умовах.

У прикладі з вигнутим стрижнем нелінійні елементи виділяються без праці (рис. 2.2). У будь-якому механічному пристрої, що має більше одного положення статичної рівноваги, присутні зазор, мертвий хід або нелінійна жорсткість. У разі стрижня, зігнутого навантаженням на кінці (рис. 2.2, а), винуватцем є геометрична нелінійність жорсткості. У стрижні, згинатися магнітними силами (рис. 2.2, б), джерелом хаотичного поведінки системи є нелінійні магнітні сили.